Unterschiede in der aktuellen und kommenden EV-Batterietechnologie

Die Automobilindustrie befindet sich mitten in einer Revolution, die wohl hinter der ersten Massenmarktproduktion des Modells T zurückbleibt. Elektrofahrzeuge werden von praktisch jedem Automobilhersteller auf der ganzen Welt angekündigt und auf den Markt gebracht. Und obwohl es noch einige Zeit dauern wird, bis die Mehrheit der Fahrzeuge auf der Straße Elektrofahrzeuge sind, gibt es in der Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge gewaltige Fortschritte.

Mehr als die Hälfte der potenziellen Autokäufer geben an, dass Reichweitenangst ein Hindernis beim Kauf eines Elektrofahrzeugs darstellt. Ob aufgrund von Kapazitätsbeschränkungen oder der Ladezeit – die Entwicklung und Integration besserer Batterien wird im nächsten Jahrzehnt absolut entscheidend sein.

Hier erfahren Sie, wo die aktuelle Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge steht und was Sie bis zum Ende des Jahrzehnts sehen könnten.

Lithium-Ionen-Batterien

Die überwiegende Mehrheit der Elektrofahrzeuge ist mit Lithium-Ionen-Akkus ausgestattet. Dieser Batterietyp ist heute in den meistverkauften Elektrofahrzeugen auf dem Markt zu finden und soll angeblich auch in den Modellen der nächsten Jahre enthalten sein. Im Allgemeinen bieten Li-Ionen-Akkus eine hohe Energiedichte, sind im Vergleich zu älteren Technologien leicht und lassen sich sicher aufladen. Sie haben eine niedrige Entladungsrate und liefern während der gesamten Entladung eine gleichmäßige Energie.

Allerdings sind Li-Ionen-Akkus nicht fehlerfrei. Obwohl sie weniger als halb so schwer sind wie Blei-Säure-Batterien, sind sie im Hinblick auf den Bedarf über große Entfernungen recht schwer. Auch das Aufladen geht vergleichsweise schnell, dauert aber immer noch deutlich länger als das Auftanken eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor.

Das vielleicht größte Problem bei der Li-Ionen-Technologie sind ihre Materialien. Unabhängig davon, ob es sich um die gängigsten Designs aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA), Lithium-Manganoxid (LMO) oder Lithium-Eisenphosphat (LFP) handelt, verwenden sie alle seltene Erdmetalle. Obwohl es schwierig ist, dies mit Sicherheit zu sagen, scheint die Beschaffung dieser seltenen und umstrittenen Materialien nicht nachhaltig zu sein.

Bei den heutigen Li-Ionen-Batterien weist jede Zusammensetzung Stärken und Schwächen auf.

• NMC-Batterien weisen im Vergleich zu Leistung, Energie und Kosten mäßige Leistungs-, Energie- und Kostenvergleiche auf, ihre thermische Stabilität ist jedoch hinter der anderer Optionen zurück.
• NCA-Batterien sind tendenziell teurer und liefern bei bestimmten Energien und Leistungen hervorragende Ergebnisse, sind jedoch volatiler.
• LMO-Batterien gehören derzeit zu den kostengünstigsten auf dem Markt und sind in Bezug auf die Energiekapazität durchschnittlich, weisen jedoch die geringste Leistung und Lebensdauer auf.
• LFP-Batterien dominieren aufgrund ihrer thermischen Stabilität, Sicherheit, Kosten und Lebensdauer, ihre spezifische Energie und Leistung sind jedoch unterdurchschnittlich.

Nickel-Metallhydrid-Batterien

Bei Hybridfahrzeugen hat sich die Nickel-Metallhydrid-Technologie (NiMH) als bevorzugte Lösung etabliert. Automobilhersteller wie Toyota setzen NiMH-Batterien bereits seit Ende der 1990er-Jahre in Hybridfahrzeugen ein, und aktuelle Entwicklungen wie bipolare NiMH-Batterien tragen weiterhin dazu bei, dass diese Technologie relevant bleibt. Sie kosten etwa die Hälfte von Lithium-Ionen-Akkus gleicher Größe.

NiMH-Batterien verwenden wie Li-Ionen-Technologie seltene Erden wie Kobalt und Lanthan sowie einen hohen Anteil an Nickel. Daher gibt es auch bei diesen Batterien zahlreiche Umweltbedenken.

NiMH-Akkus werden für Anwendungen mit geringerem Bedarf eingesetzt, weshalb sie bei Hybriden zum Einsatz kommen. Außerdem weisen sie eine höhere Selbstentladung auf und können bei Überladung an Kapazität verlieren. Dies wird jedoch durch eine moderatere Ladestufe und -rate ausgeglichen. Langsameres Laden ist für NiMH-Akkus am besten und es ist einer der Gründe dafür, dass vollwertige Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite diese Technologie nicht nutzen.

Festkörperbatterien

Die vielversprechendste Entwicklung für Elektrofahrzeuge sind Festkörperbatterien . Sie ähneln Lithium-Ionen-Batterien, nutzen aber anstelle eines flüssigen Elektrolyten ein deutlich energiereicheres, festes Material, um die Energie von einer Elektrode zur anderen zu transportieren. Automobilhersteller investieren Hunderte von Millionen Dollar in Festkörperbatterien, da diese die Größe und das Gewicht der Batterien erheblich reduzieren und ihre Stabilität verbessern werden.

Da Festkörperbatterien eine höhere Energiedichte haben, können sie in einem Bruchteil der Zeit wie eine Li-Ionen-Batterie mit flüssigem Elektrolyten aufgeladen werden. Ein weiterer großer Vorteil ist die Langlebigkeit; Während ein Li-Ionen-Akku nach 1,000 Ladezyklen merklich nachlässt, sollen Festkörperbatterien „nach 90 Zyklen noch 5,000 % ihrer Kapazität behalten“.

Bis zur Marktreife von Festkörperbatterien ist es noch ein weiter Weg, insbesondere im Hinblick auf die Senkung der Produktionskosten. Es gibt Versprechen, dass es in den nächsten Jahren möglich sein wird.

Siliziumanodenbatterien

Graphit wird in Elektrofahrzeugbatterien reichlich verwendet, weist jedoch Einschränkungen in der Kapazität auf. Entwickler arbeiten an Designs, die den Graphit in der Anode durch mesoporöse Silizium-Mikropartikel und Kohlenstoff-Nanoröhrchen ersetzen. Silizium hat eine etwa zehnmal höhere Kapazität als Graphit, und der Einsatz als Schlüsselelement in Batteriezellen könnte sowohl die Reichweite als auch die Ladezeiten erheblich verbessern.

Einer der größten Vorteile von Siliziumanodenbatterien ist die geringere Abhängigkeit von Graphit, der durch ein aus Gerstenschalenasche raffiniertes Produkt ersetzt wird. Dies ist ein Schritt zur Verringerung der Abhängigkeit vom Abbau seltener Erden.

Kobaltfreie EV-Batterien

Aufgrund der Bergbaupraktiken im Kongo, wo es am weitesten verbreitet ist, ist Kobalt wohl das umstrittenste Material, das in Li-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge verwendet wird. Bei der Batterieherstellung wird in hohem Maße auf Kobalt zurückgegriffen. Zukünftige Designs von Li-Ionen-Batterien könnten auf Kobalt in der Kathode verzichten. Da Kobalt so selten und teuer ist, wird der Verzicht auf Kobalt dazu beitragen, den Preis zu senken und so zu einer besseren Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu führen.

Anstelle von Kobalt haben die Entwickler mit 89 % Nickel sowie leicht verfügbarem Aluminium und Mangan für die Kathode gearbeitet. Berichten zufolge hat er eine höhere Energiedichte als ein typischer Lithium-Ionen-Akku und kann mit einer einzigen Ladung auch größere Reichweiten erreichen.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektroden

In einem hexagonalen Muster kristallisierter Kohlenstoff wird als Graphen bezeichnet und besteht aus einer einzelnen Atomschicht. Batterieentwickler bei NAWA Technologies konnten Kohlenstoffnanoröhren aus Graphen für den Einsatz als Elektroden in Elektrofahrzeugbatterien herstellen. Graphenröhren sind für die Elektrode vertikal ausgerichtet und äußerst leitfähig, sodass ultraschnelle Kohlenstoffelektroden entstehen, die in den nächsten Jahren eingesetzt werden könnten.

Die Vorteile von Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektroden sind enorm. Neben der zehnfachen Energiekapazität können sie extrem schnell wieder aufgeladen werden. NAWA gibt an, dass ein Akku in nur fünf Minuten zu 80 % aufgeladen werden kann. Und da Graphen kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden kann, können die Batteriekosten erheblich gesenkt werden.

Zusammenfassung

Mit den heutigen Lithium-Ionen-Batterien können Sie mit einer einzigen Ladung Hunderte von Kilometern zurücklegen und halten in einem Elektrofahrzeug jahrelang. Zukünftige Technologien werden in der Lage sein, sich viel schneller aufzuladen und höhere Energiekapazitäten zu speichern, und das alles in einem leichteren und kleineren Batteriepaket.

Häufig gestellte Fragen

Was ist eine Festkörperbatterie und wann wird sie verfügbar sein?

Festkörperbatterien ersetzen den flüssigen Elektrolyten herkömmlicher Lithium-Ionen-Zellen durch ein festes Material und verbessern so Energiedichte und Sicherheit. Mehrere OEMs haben angekündigt, Elektrofahrzeuge mit Festkörperbatterien Ende der 2020er-Jahre auf den Markt zu bringen, die kommerzielle Skalierung stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. Die Serviceprotokolle für Festkörperbatterien unterscheiden sich von denen heutiger Flüssigelektrolytbatterien.

Worin unterscheidet sich die LFP-Batteriechemie von der NMC-Batteriechemie?

Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) sind thermisch stabiler, haben eine längere Lebensdauer und sind kostengünstiger in der Herstellung – bieten aber eine geringere Energiedichte als Nickel-Mangan-Kobalt-Zellen (NMC). LFP-Zellen werden zunehmend in Elektrofahrzeugen der Basisausstattung und Nutzfahrzeugen eingesetzt.

Was ist eine Natrium-Ionen-Batterie?

Natrium-Ionen-Batterien nutzen Natrium anstelle von Lithium als Ladungsträger. Sie sind günstiger in der Herstellung und besser für kalte Klimazonen geeignet, bieten aber derzeit eine geringere Energiedichte als Lithium-basierte Batterien. Sie finden zunehmend Verwendung in preiswerteren Elektrofahrzeugmodellen, vorwiegend auf asiatischen Märkten.

Wie beeinflusst die Batteriechemie die Diagnose von Elektrofahrzeugen?

Unterschiedliche Batteriechemien weisen unterschiedliche Ladekurven, Spannungsbereiche und Temperaturprofile auf. Diagnosegeräte müssen diese Unterschiede bei der Bestimmung des Ladezustands (SoH) berücksichtigen. Geräte wie das Midtronics xHVS-3000 sind für den Einsatz mit verschiedenen Batteriearchitekturen von Elektrofahrzeugen konzipiert.

Werden zukünftige Elektrofahrzeugbatterien neue Serviceverfahren erfordern?

Ja. Mit dem Einzug von Festkörper- und anderen neuartigen chemischen Verfahren benötigen Techniker aktualisierte Schulungen, Werkzeuge und Sicherheitsprotokolle. Die beste Vorbereitung besteht darin, sich stets über die SAE-Normen und die Servicedokumentation der Originalhersteller (OEM) auf dem Laufenden zu halten.

Was sollten Geschäfte jetzt tun, um sich auf die nächste Generation von Elektrofahrzeugbatterien vorzubereiten?

Investieren Sie in anpassungsfähige Diagnosegeräte, stellen Sie sicher, dass Ihre Techniker über eine HV-Zertifizierung verfügen, und beachten Sie die Service-Bulletins der Originalhersteller (OEMs) hinsichtlich spezifischer Hinweise zur Fahrzeugchemie. Das Midtronics EV Solutions Hub ist ein nützlicher Ausgangspunkt für Werkstätten, die ihre Serviceleistungen für Elektrofahrzeuge ausbauen möchten.