von J. Hammerschmidt (Eigenes Werk), via Wikimedia Commons

Heutzutage existieren eine ganze Reihe von Batterietechnologien, die großtechnisch verfügbar sind. Jedoch sind nicht alle für den Einsatz in rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen geeignet. Inhalt dieses Artikels soll es sein, die aktuell verfügbaren Batterietechnologien auf Basis der in Kapitel 3 beschriebenen Anforderungen zusammenfassend zu bewerten. Die Grundlage der Bewertung bildet dabei eine detaillierte Untersuchung der verschiedenen Batteriekenngrößen und –eigenschaften, die zur Beschreibung der einzelnen Anforderungen verwendet wurden.

Anhand der Bewertungen wird erläutert, warum die Lithium-Ionen Technologie derzeit alle Anforderungen am ehesten erfüllt und die größten Potenziale für technische Weiterentwicklungen bietet.

Folgende Batterietechnologien sind derzeit technisch verfügbar und wurden in der Vergangenheit bereits in Elektrofahrzeugen eingesetzt:

  • Blei-Gel Batterie
  • Nickel-Cadmium Batterie
  • Nickel-Metallhydrid Batterie
  • Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur Batterie
  • Lithium-Ionen Batterie

 

Zwar sind in den letzten Jahren auch zunehmend Doppelschichtkondensatoren, durch erhebliche Fortschritte in der technischen Entwicklung, für einen Einsatz in Elektrofahrzeugen diskutiert worden, jedoch sind sie aufgrund ihrer hohen Selbstentladungsrate (noch) keine Option für rein elektrische Antriebe. Diese Technologie soll daher nicht weiter betrachtet werden. Eine zusammenfassende Technologiebewertung findet sich in Tabelle 1. Die Erfüllung der einzelnen Anforderungen ist auf einer Skala von schlecht, durchschnittlich und gut bewertet worden. Neben den Anforderungen sind jeweils die zentralen Vor- und Nachteile des Batteriesystems aufgeführt. Darüber hinaus ist angegeben, ob auf Basis der zentralen Nachteile eine Eignung der Batterien für Traktionszwecke grundsätzlich vorliegt oder nicht.

 

Tabelle 1: Gegenüberstellung ausgewählter Batterietechnologien hinsichtlich ihrer Eignung für Elektrofahrzeuge

 

Blei-Gel Batterie

 

Bleisäure-Batterien stellen eine bereits sehr alte Technologie dar, und finden seit Jahrzehnten weit verbreitete Anwendung als Starterbatterien in Fahrzeugen. Der Energieinhalt der Bleibatterien ist im Verhältnis zu den anderen Batteriesystemen sehr gering. Gravimetrische Energiedichten von 20-30 Wh/kg sind möglich. Hohe gravimetrische Leistungsdichten von bis zu 430 W/kg sind zwar erreichbar, führen aber zu einer sehr geringen Zyklenfestigkeit und somit sehr kurzen Lebensdauer. Die Lebensdauer der Bleibatterien ist im Vergleich zu den verfügbaren Technologien sehr gering.

Bei einer Entladetiefe von 80% können Lebensdauer von rund 350 Zyklen erreicht werden. Die erreichbare kalendarische Lebensdauer beträgt je nach Betriebsweise und Lagerung 5-15 Jahre. Bleigelbatterien sind derzeit die billigsten aller verfügbaren Batteriesysteme. Die Herstellungskosten betragen bei gleicher Kapazität etwa ein Fünftel der von Lithium-Ionenbatterien (Stand 2010). Da es sich bei den Batterien jedoch um eine ausgereifte Technik mit bereits großen Produktionsstückzahlen handelt, sind für die Zukunft keine großen Kostensenkungen mehr zu erwarten.

Aufgrund der robusten Bauweise sind die Sicherheitsrisiken bei Bleibatterien relativ gering. Sie sind thermisch stabil, das heißt, selbst bei erhöhten Temperaturen kommt es nicht zu einer Selbsterhitzung oder gar Explosionen der Batterie. Obwohl Blei ein giftiges Schwermetall ist und auch die Schwefelsäure zu Umweltschäden führen kann, ist die Umweltverträglichkeit dieser Technologie als durchschnittlich einzustufen. Dies liegt daran, dass durch die Verdickung des Elektrolyten zu Gelpasten ein unkontrolliertes Austreten der Elektrolytflüssigkeit selbst bei Zerstörung des Batteriegehäuses in gewissem Maße begrenzt ist und eine außerordentlich gute Entsorgungsinfrastruktur für Bleibatterien besteht.  Insgesamt ist deshalb festzustellen, dass diese Technologie grundsätzlich für einen Einsatz in Elektrofahrzeugen geeignet ist.

Nickel-Cadmium

 

Die Nickel-Cadmium Batterie wird bereits seit mehreren Jahrzehnten großindustriel gefertigt und findet in vielen Haushalts- sowie Industriebereichen Einsatz. Die Energiedichte ist im Vergleich zu den anderen Technologien jedoch als schlecht einzustufen. Bei zweistündiger Entladung kommt die Batterie auf gravimetrische Energiedichten von 40-55 Wh/kg bei einer sehr geringen Zykleneffizienz von nur maximal 80% und einer recht hoher Selbstentladerate, die bei Raumtemperatur rund 20% pro Monat beträgt. Die Leistungsverfügbarkeit ist eher durchschnittlich. Es sind gravimetrische Leistungsdichten von bis zu 700 W/kg pro Batterie möglich. Die Zyklenfestigkeit ist fast doppelt so hoch wie bei Blei-Systemen. Es können bei 80% Entladetiefe bis zu 2000 Zyklen gefahren werden, ein zentraler Vorteil gegenüber den kurzlebigen Bleisäurebatterien. Die kalendarische Lebensdauer beträgt bis zu 15 Jahre, je nach Einsatzgebiet.

Für ein komplettes System können zwischen 250 und 500 €/kWh anfallen, also doppelt so viel wie für Bleibatterien. Hinzu kommt, dass die Technik aufgrund der Jahrzehnte langen Entwicklung und Produktion bereits sehr ausgereift ist und größere Kostenreduktionen nicht mehr zu erwarten sind. Was für einen Einsatz in Elektrofahrzeugen spricht, ist die thermische Stabilität der Nickel-Cadmium Batterie. Nickelcadmium Batterien bestehen aber zu 20 % aus dem hoch toxischen und krebserregendem Metall Cadmium und sind daher bei nicht fachgerechter Entsorgung als sehr umweltschädlich einzustufen. Auf europäischer Ebene wurde ein Verwendungsverbot von Cadmium per Richtlinie bereits 2006 beschlossen und Ende 2008 dann in nationales Recht umgesetzt. Aus diesem Grund ist diese Batterietechnologie für einen zukünftigen Einsatz als Traktionsbatterie nicht geeignet.

Nickel-Metallhydrid Batterie

 

Mit dem aufkommenden Verbot der Nickel-Cadmium Batterie wurden verstärkt Ersatztechnologien entwickelt. Die Nickel-Metallhydrid Batterie hat sich in den letzten Jahren als gleichwertige und in einigen Punkten sogar bessere Alternative etabliert. Der theoretisch mögliche Energieinhalt der Nickel-Metallhydrid Batterie ist im Vergleich zur Nickel-Cadmium Batterie fast doppelt so hoch. Bei zweistündiger Entladung können für eine Batterie gravimetrische Energiedichten von 50 bis 80 Wh/kg erreicht werden bei einer eher moderaten Zykleneffizienz von 80%. Der große Nachteil dieser Technologie ist die sehr hohe Selbstentladung. So gehen in einem Monat 30% der gespeicherten Energie bei Raumtemperatur verloren.

Vorteilhaft sind die sehr hohen Leistungsdichten von bis zu 1200 W/kg. Die Lebensdauer der Batterien ist als durchschnittlich einzustufen, es können bis zu 1000 Zyklen erreicht werden. Die Herstellungskosten für Hochenergiezellen sind sehr teuer und liegen derzeit bei ca. 500€/kWh. Die Technik bei Hochenergiezellen gilt als ausgereift, besonders über die letzten Jahre wurden keine großen technischen Verbesserungen mehr erzielt und werden für die Zukunft auch nicht erwartet. Die potenziellen Preisreduktionen liegen im gleichen Rahmen wie bei Lithium-Ionen Batterien. Nickel-Metallhydrid Batterien sind thermisch relativ stabil und die Sicherheitsrisiken sehr gering. Die Umweltverträglichkeit von NiMH Batterien ist hoch, da sie kein schädliches Cadmium enthalten. Insgesamt ist die Technologie aufgrund ihrer guten Eigenschaften in Hinblick auf Leistung- und Energiedichte gut für einen Einsatz in Elektrofahrzeugen geeignet.

Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur-Batterie

 

Die bisher beschriebenen Systeme haben alle gemeinsam, dass sie bei Umgebungstemperatur betrieben werden und feste Elektroden sowie flüssige Elektrolyten aufweisen. Einen anderen Ansatz verfolgt die Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur Batterie. Sie wird bei erhöhten Temperaturen von um die 300°C betrieben und weist dabei flüssige Elektrodenmaterialien auf. Natrium-Nickelchlorid Batterien haben eine sehr hohe Energiedichte, die bezogen auf das komplette Batteriesystem unter bestimmten Umständen derzeit sogar mit der Lithium-Ionen Batterie konkurrieren kann.

So sind Energiedichten von 86-106 Wh/kg. Darüber hinaus sind die erreichbaren Wirkungsgrade von 80-95% sehr hoch.  Diesen positiven Eigenschaften gegenüber steht die hohe Selbstentladung als zentraler Nachteil dieser Technologie. Zur Aufrechterhaltung der hohen Temperaturen muss der Batterie in Ruhezuständen Energie entnommen werden. Dieser Energiebedarf ist so hoch, dass bis zu 10% der Batteriekapazität pro Tag verbraucht werden. Die begrenzte Leistungsverfügbarkeit ist eine weitere Einschränkung. Es werden lediglich Leistungsdichten von 168 bis 181 W/kg erreicht.

Die Zyklenfestigkeit ist ähnlich der NiMH Systeme. Es werden bis zu 1500 Zyklen erreicht. Weiterhin sind hohe kalendarische Lebensdauern möglich. Es werden Standzeiten zwischen 8 und 10 Jahren angegeben. Die Herstellungskosten sind teuer, derzeit sind Preise von rund 500 € pro kWh auf dem Markt für ein komplettes System verfügbar (Stand 2009). Da Natrium hoch reaktiv ist, muss damit gerechnet werden, dass ein Austreten des flüssigen Natriums bei mechanischer Zerstörung der Zelle zu Bränden oder bei Hautkontakt auch zu Personenschäden führen kann.

Die hohe thermische Isolierung wiederum schirmt die Batterie bei Erhitzung von außen, z.B. externen Bränden, gut ab. Die Sicherheitsrisiken sind daher als durchschnittlich zu bewerten. Die Umweltverträglichkeit der Natrium-Nickelchlorid Batterie ist aufgrund der verwendeten Materialien und effektiver Recyclingverfahren sehr gut. Insgesamt ist die Batterie aufgrund der hohen Selbstentladeraten derzeit als nicht geeignet für einen großflächigen Einsatz in elektrischen PKW anzusehen.

Lithium-Ionen Batterie

 

Eine noch relativ neue Technologie stellt die Lithium-Ionen Batterie dar. WeilLithium das leichteste aller Metalle ist, können sehr hohe Energien pro Masse gespeichert werden. Es sind gravimetrische Energiedichten von 90 bis 140 Wh/kg für ein komplettes System bei zweistündiger Entladung möglich. Ein weiterer Vorteil ist, dass Lithium Batterien unter allen vorgestellten Technologien den höchsten Wirkungsgrad aufweisen. Die Zykleneffizienz beträgt 90 bis 95%. Die Leistungsdichten können durch unterschiedliche Materialkombinationen sehr verschiedenen Anforderungen angepasst werden und können sehr hohe Werte von bis zu 3000 W/kg erreichen.

Eine typische Lebensdauer beträgt bei 80% Entladetiefe zwischen 1000 und 1500 Zyklen. Die Lebensdauer ist daher als eher durchschnittlich einzustufen, Nickel-Cadmium Batterien erreichen deutlich höhere Zyklenzahlen. Lithium Batterien erfordern eine sehr komplexe und kostenintensive Fertigung, weshalb diese Technologie noch verhältnismäßig teuer ist.

Ein großes Sicherheitsrisiko bei Lithium Ionen Batterien besteht darin, dass Lithium hochreaktiv ist. Es darf daher weder mit Sauerstoff noch mit Wasser in Berührung kommen, weil es sonst sofort mit diesen Stoffen unter Wärmeentwicklung reagieren würde. Wenn die Zelltemperatur ca. 100°C erreicht, kann es zu einem sogenannten „thermal runaway“ kommen. Der Aufwand für das Batteriemanagementsystem ist dementsprechend sehr hoch. Jede einzelne Zelle muss mit Sensoren zur Temperatur-, Strom- und Spannungsüberwachung sowie einem Sicherheitsventil ausgestattet sein und das ganze Batteriesystem muss effizient gekühlt werden.

Die Umweltverträglichkeit von Lithium-Batterien ist durchschnittlich.  In großen Mengen kann es für den Menschen schädlich sein und als reines Metall bei der Berührung mit der Haut zu Verätzungen führen, bei umweltgerechter Entsorgung bestehen aber keine Gefährdungspotenziale für Mensch und Natur. Die Lithium-Ionen Batterie eignet sich aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichten für einen Einsatz als Traktionsbatterie.

Abschließend ist festzustellen, dass die Lithium-Batterie die gestellten Anforderungen am besten erfüllt. Durch die Kombination verschiedener Zellmaterialien kann diese Batterie an eine Vielzahl von Bedingungen optimal angepasst werden. Sie erreicht eine sehr hohe Energiedichte und es besteht noch viel Entwicklungs- und Kostensenkungspotenzial. Die Lithium-Ionen Batterie wird daher in Zukunft die dominierende Technologie sein.

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