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Ákos (Eigenes Werk), via Wikimedia Commons

Batterien werden heutzutage in vielen Bereichen eingesetzt, in denen sie ganz unterschiedliche Anforderungen erfüllen müssen. So gibt es Anwendungsgebiete, die geringe Energiemengen benötigen, aber lange Lebensdauern und hohe Verfügbarkeiten voraussetzen und es gibt wiederum portable Geräte, die viel Energie verbrauchen, aber selber nur kurze Lebensdauern aufweisen, sodass eine lange Haltbarkeit der Batterie eine untergeordnete Rolle spielt.

Da bestimmte Eigenschaften einer Batterie jedoch meist ausschließlich zu Lasten einer anderen Eigenschaft optimierbar sind, ist es wichtig, zuerst die Anforderungen zu klären, die eine Batterie in ihrem spezifischen Anwendungsfeld zu erfüllen hat. Im Folgenden sollen die Ansprüche identifiziert werden, die an eine Traktionsbatterie in einem Elektroauto gestellt werden. Diese Anforderungen dienen im nächsten Kapitel dazu, die verfügbaren Batterietechnologien auf ihre Eignung für einen Einsatz in Elektroautos zu untersuchen.

Wie bereits angedeutet, bewegt sich die Batterietechnik in einem Spannungsfeld, indem teils widersprüchliche Anforderungen miteinander vereint und möglichst optimal zu erfüllen sind. Allgemein sind die in Abbildung 1 hellblau hinterlegten Bereiche für jede Batterie zu beachten, haben aber je nach Einsatzgebiet einen unterschiedlichen Stellenwert. Die dunkelblau markierten Kästen zeigen die Gestaltungsebenen auf, die sich bieten, um die Anforderungen in diesen Bereichen zu erfüllen. An dieser Stelle sollen die verschiedenen Bereiche mit den jeweils zugehörigen Gestaltungsmöglichkeiten kurz besprochen werden.

 

Abbildung 1: Spannungsfeld und Gestaltungsebenen in der Batterietechnik

 (basierend auf Wallentowitz et al., 2010)

 

Energieinhalt

 

Weil der Energieverbrauch eines Fahrzeuges unter anderem von dessen Gewicht abhängt, wird die energetische Qualität einer Batterie nicht nur mit dem absoluten Energieinhalt bewertet, sondern vor allem massebezogen über die Energiedichte. Diese gibt an, wie viel Energie pro Masse gespeichert ist. Diese Größe ist deshalb von Bedeutung, weil eine Steigerung der Fahrzeugreichweiten derzeit vor allem durch das Batteriegewicht begrenzt wird. Darüber hinaus sind andere technische Faktoren bedeutend, die den für den Antrieb verfügbaren Energieinhalt direkt beeinflussen. So sind möglichst geringe Verluste und Hilfsenergieverbräuche sowie niedrige Selbstentladungsraten verbunden mit einem hohen Systemwirkungsgrad anzustreben. Zu beachten ist weiterhin, dass der gesamte Energieinhalt selbst unter Berücksichtigung aller Verluste in der Praxis nicht zur Verfügung steht.

Dies liegt daran, dass ein möglichst hoher Nutzungsgrad des gespeicherten Energieinhaltes im Widerspruch zur Lebensdauermaximierung der Batterie steht. Um zum Beispiel eine Lebensdauer zu erreichen, die der des Fahrzeuges entspricht, sind bei Nickelmetallhydrid Batterien in Hybridfahrzeugen nur ca. 10% der Nennkapazität nutzbar. Deshalb ist es wünschenswert, Batterien einzusetzen, die eine hohe Tiefentladefähigkeit bei nur geringer Lebensdauerverringerung aufweisen. Die Anpassung an oben genannte Forderungen wird durch eine geeignete Materialauswahl erreicht. So kann z.B. durch die Struktur der Elektroden die Stabilität und so die Tiefentladefähigkeit deutlich verbessert werden. Auch kann die Auswahl des Zellgehäuses die Energiedichte auf das Batteriesystem deutlich verringern.

Leistungsverhalten

 

Ebenso wie beim Energieinhalt, ist die Angabe der Leistung als gravimetrische Größe nötig, um qualitative Aussagen über die Leistungsfähigkeit einer Batterie machen zu können. Die Leistungsdichte beeinflusst direkt das Leistungsverhalten des Fahrzeuges, da von ihr abhängt, wie viel Leistung für den Fahrzeugantrieb, vor allem bei Beschleunigungsvorgängen, bereitgestellt werden kann. Desweiteren hat die Leistungsdichte auch Einfluss auf die Ladezeit der Batterie. Denn desto höher die Leistung, mit der die Batterie geladen werden kann, desto schneller ist auch der Ladevorgang abgeschlossen. Eine hohe Leistungsdichte steht jedoch mit einer hohen Energiedichte im Widerspruch. Systembedingt geht die Optimierung der einen Eigenschaft durch Auswahl passender Materialien zu Lasten der anderen.

Daher werden auch in Hybrid- und rein elektrischen Fahrzeugen unterschiedliche Batteriesysteme eingesetzt. Bei Hybridfahrzeugen müssen die Batterien kurze Lastspitzen während Beschleunigungsvorgängen bedienen oder kurzzeitig hohe Leistungen bei Bremsvorgängen aufnehmen. Die Reichweite spielt aufgrund des verfügbaren Verbrennungsmotors eine untergeordnete Rolle. Bei Elektrofahrzeugen muss die Leistungsdichte reduziert werden, um möglichst hohe Reichweiten zu erzielen. Auch sollten die Betriebszustände der Batterie ein möglichst breites Temperaturspektrum zulassen, da Elektrofahrzeuge im Winter bei -20° C als auch im Sommer bei +40 °C funktionieren  müssen bei möglichst konstanter Leistungsverfügbarkeit.

Lebensdauer

 

Eine lange Lebensdauer für Fahrzeugbatterien ist wichtig, da Fahrzeuge heutzutage eine Nutzungsdauer von 10-15 Jahren aufweisen, die Haltbarkeit der Batterien jedoch deutlich kürzer ist. Zurzeit stellt die Lebensdauer der Batterien noch eine große Unsicherheit dar, weil bisher keine verlässliche Datenbasis über den täglichen Einsatz in Elektrofahrzeugen für eine ausreichend lange Zeitspanne besteht. Bei der Lebensdauer von Batterien ist zwischen zwei Prozessen zu unterscheiden, der zyklischen und der kalendarischen Lebensdauer. Die Zyklenlebensdauer definiert die Alterung der Zelle, welche durch Lade- und Entladevorgänge entsteht. Sie ist bei Elektrofahrzeugen meist der limitierende Faktor und wird vom Batteriehersteller angegeben. Alterung und Verschleiß der Zelle treten jedoch auch auf, wenn die Batterie nicht genutzt wird. Dies kann zum Beispiel durch Korrosion oder Zersetzung des Elektrolyten passieren. Die kalendarische Lebensdauer gibt das Ausmaß dieser Verschleißerscheinungen an. Darüber hinaus beeinflussen weitere Betriebszustände die Lebensdauer der Zelle maßgeblich, wie erhöhte Temperaturen, Tiefentladungen oder Überladungen.

Je höher die Entladetiefe einer Batterie ist, desto niedriger ist die erreichbare Zyklenzahl. Daher ist es wichtig, dass die Batterie gut ins Gesamtsystem integriert ist und ein Batteriemanagementsystem installiert ist, welches die Zellen vor zu hohen Beanspruchungen schützt und die Lade- und Entladezyklen möglichst zellschonend steuert. Nur so können höchste zyklische sowie kalendarische Lebensdauern erreicht werden. Die Materialauswahl innerhalb der Zelle ist entscheidend, um die Zersetzung des Elektrolyten, die Zerstörung des Separators oder die Degradation der Elektroden gering zu halten. Auch das Zellendesign spielt eine Rolle, da z.B. zylindrische Bauformen sehr stabil gegenüber mechanischen Belastungen sind.

Kosten

 

Da die Kosten für die Marktakzeptanz einer neuen Technologie entscheidend sind, ist es wichtig, die Investitions- und Betriebskosten bei Elektrofahrzeugen möglichst niedrig zu halten, um eine breite Markteinführung erreichen zu können. Die Traktionsbatterien machen dabei einen Großteil der Investitionskosten am Gesamtfahrzeug aus, was momentan einen Hauptschwachpunkt der Batterien darstellt. Die Betriebskosten sind bei den Batterien bereits sehr gering im Vergleich zu Verbrennungsmotoren, da Wartungsarbeiten kaum nötig und die elektrischen Energiemengen aufgrund des hohen Motorenwirkungsgrades gering sind.

Jedoch können diese Einsparungen den höheren Investitionsanteil zurzeit nicht kompensieren. Eine Kostenreduktion kann vor allem durch die Materialauswahl erreicht werden, indem nicht nur kostengünstige Stoffe eingesetzt werden, sondern auch möglichst hohe Energiedichten und geringe Gewichte angestrebt werden, um die Kosten pro kWh zu verringern. Der Einsatz solcher Materialen bewirkt in der Regel jedoch weitere Kostensteigerungen, weshalb hier eine sehr genaue Abwägung vorgenommen werden muss.

Sicherheit

 

Traktionsbatterien müssen für eine Vielzahl von mechanischen und elektrischen Belastungen ausgelegt werden, da diese sonst im Extremfall zur Gefahr für Mensch und Umwelt werden können. So kann es passieren, dass bei einem Unfall das Zellgehäuse zerstört wird und gefährdende Stoffe freigesetzt werden oder die Zelle sich durch einen externen Brand erhitzt und selber in Brand gerät oder gar explodiert. Wichtig ist es daher, dass von der Zelle möglichst geringes Schadenspotenzial ausgeht. Auch ist eine hohe Betriebssicherheit nötig, damit sichergestellt ist, dass Fehlverhalten oder Produktionsfehler nicht auftreten oder falls doch, diese keine Schäden anrichten.

Durch eine entsprechende Materialauswahl für Elektroden, Separator und Elektrolyten kann bereits eine gewisse intrinsische Zellsicherheit gewährleistet werden. Darüber hinaus ist die Integration von Batteriemanagement- und Sicherheitsvorrichtungen entscheidend, die im Fehlerfall die Batterie elektrisch sofort vom Fahrzeug entkoppeln und schädlichen Betriebszuständen entgegensteuern. Werksseitige Qualitätskontrollen sind unabdingbar, um den Umlauf von fehlerhaften Zellen bereits im Werk verhindern.

Umweltverträglichkeit

 

Neben den bereits genannten Bereichen ist eine möglichst hohe Umweltverträglichkeit der eingesetzten Batterietechnik unerlässlich um eine breite Akzeptanz in der Bevölkerung zu erreichen. So sollte nicht nur während der Nutzung, sondern bereits bei der Herstellung und Entsorgung der Zellen darauf geachtet werden, dass keine umweltschädlichen Stoffe freigesetzt werden und in die Umwelt gelangen. Ferner ist der kumulierte Energieaufwand zu minimieren und die Batterie sollte soweit möglich vollständig recycelbar sein.

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