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Batterie oder Akku?

Der Begriff Batterie wird sowohl als Oberbegriff für Energiespeicher benutzt, als auch als Bezeichnung für einen nicht wieder aufladbaren Energiespeicher (Primärbatterie). Ob in einem Gerät eine nicht wieder aufladbare Primärbatterie (z.B. Langzeiteinsatz in der Armbanduhr) oder ein wieder aufladbarer Akku (z.B. im e-Fahrzeug) verwendet wird, hängt vom Einsatz ab.

Eine Batterie speichert Energie durch Zusammenschaltung mehrerer galvanischer Zellern. Ursprünglich waren diese nicht aufladbar. In der heutigen Zeit wird zwischen Batterien, Akkumulatoren oder galvanischen Sekundärzellen umgangssprachlich kein Unterschied gemacht, weshalb die verbauten Energiespeichermodule in Elektroautos oft auch als Batterien bezeichnet werden. 

Akkupack Aufbau

Was ist ein Akku?

Ein Akku bzw. richtigerweise ein Akkumulator ist ein wiederaufladbarer Energiespeicher. Der Begriff Fahrzeugbatterie ist somit physikalisch gesehen eigentlich nicht richtig, aber umgangssprachlich verwendet. Beim Bau von e-Fahrzeugen stellen diese Stromspeicher eine wichtige Komponente dar. Viele Hersteller verwenden inzwischen statt der veralteten Blei-Gels-Akkus die moderneren Lithium-Ionen Akkus. Diese werden auch Li-Ion-Akkus genannte und sind chemische Energiespeicher für elektrischen Strom, die du sehr häufig wieder aufladen kannst, ohne dass sie an Speicherfähigkeit verlieren.

Weil die Energiedichte von Li-Ion-Akkus höher ist, als bei anderen Batterietypen, ist sie inzwischen die am häufigsten verwendete Speichertechnologie. Lithium-Ionen-Akkus findest du überall in Smartphones, Tablets, Laptops, Kameras oder auch Elektroautos, e-Scootern, e-Mopeds oder e-Bikes. Dabei bestehen große Batterien für e-Bikes oder gar Elektroautos typischerweise aus vielen kleinen aneinandergereihten Batteriezellen, den sogenannten Akkumulatoren. Das Leichtmetall Lithium selbst kommt dabei sicher im Zellgehäuse verpackt als Ladungsträger in unterschiedlichsten Verbindungen und Materialpaarungen vor.

Akkus können grundsätzlich aber auch aus anderen Materialien wie bspw. Eisen-Phosphat oder Blei-Gel bestehen.

Was ist eine Lithium-Luft-Batterie?

Dank ihres hohen Energiegehalts ermöglichen Lithium-Luft-Batterien die effiziente Speicherung von Energie. Die Speicherfähigkeit erhöht sich um ein Vielfaches zu einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie. Somit verbessert sich die Leistung und verspricht höhere Ladekapazitäten für E-Fahrzeuge, die den Reichweiten der benzinbetriebenen Konkurrenten in nichts mehr nachstehen. Neben Lithium wird Luftsauerstoff als chemische Energiequelle verwendet. Aktuell wird an dieser kostengünstigen Variante intensiv geforscht, um deren Lebensdauer zu erhöhen und Spannungsverluste zu reduzieren.

Was ist ein Lithium-Eisenphosphat Akku?

Der LFP-Akku ist eine Variante einer Lithium-Batterie, die ohne die Stoffe Kobalt und Nickel auskommen. Ebenso ist der Anteil des Lithiums reduziert. Den gefürchteten Memory-Effekt gibt es bei der Batterieform nicht mehr. Zudem verfügen LFP-Akkus über eine hohe Zyklenfestigkeit, die Selbstentladung wird als gering eingestuft und die Batterie ist weitaus weniger temperaturempfindlich. Die Brandgefahr ist deutlich reduziert, was sie besonders sicher macht.

Gegenüber klassischen Lithium-Ionen-Akkus haben Lithium-Eisenphosphat Akkus den Nachteil einer deutlich geringeren Energiedichte. Das bedeutet, um dieselbe gewohnte Leistung zu erreichen, braucht man deutlich mehr Zellen. Bei gleichem Gewicht erreicht der LFP-Akku also etwas weniger Reichweite, lässt sich dafür aber schneller wieder aufladen.

Die LMFP-Batterie – Lithium-Mangan-Eisenphosphat-Akkumulator – ist eine Variante der LFP-Batterien, die die vorhandene Gitterstruktur des Eisenphosphats benutzt, aber zusätzlich Mangan verwendet. Damit kann die Kapazität um etwa 15 % erhöht werden, und die Zyklenfestigkeit wird verbessert. Die Lithium-Eisenphosphat-Akkus werden mittlerweile schon bei ca. einem Viertel aller produzierten e-Autos verbaut, insbesondere bei Tesla Model 3 oder BYD Fahrzeugen.

Was ist ein Natrium-Ionen Akku?

Der Natrium-Ionen-Akkumulator (SIB - sodium-ion-battery) nutzt Ionen des Alkalimetalls Natrium zur Speicherung elektrischer Energie. Auf das teure Lithium wird gänzlich verzichtet. Weiterhin finden bedenkliche Stoffe wie Kupfer, Kobalt oder Nickel keine Verwendung. Natrium gehört zu den Billigelementen, weil es in Form von Kochsalz reichlich vorhanden ist. Dadurch fallen die Beschaffungskosten der Batteriebauteile günstiger aus.

Natrium-Ionen-Batterien lassen sich vollständig entladen, die Aufladung erfolgt sehr schnell. Die Batterien überstehen einige 10.000 Lade- und Entladezyklen ohne Schwächen zu zeigen.  Eine Tiefenentladung schädigt nicht den Akku, so werden Kurzschlüsse verhindert, eine Brandgefahr besteht nicht. Dadurch gelten Natrium-Ionen-Akkus beim Transport nicht als Gefahrgut.

Die sehr viel günstigeren Batterien sollen pro Volumeneinheit eine geringere Kapazität als Lithium-Ionen-Batterien aufweisen. Das könnte allerdings durch die Schnellladefähigkeit kompensiert werden. 

Bei der Entwicklung und Produktion von Natrium-Ionen-Akkus ist der chinesische Hersteller CATL marktführend.

Der chinesische Hersteller von Elektromopeds, NIU Technologies, kündigte die Ausstattung erster Modelle mit SIB ab 2023 an, um Produktionskosten zu senken.

Was ist eine Festkörperbatterie?

Eine weitere Entwicklungsstufe der Batterietechnologie ist die Festkörperbatterie. Im Gegensatz zur Lithium-Ionen-Batterie, die über einen flüssigen Ionenleiter verfügt und dadurch empfindlich auf Tiefentladung und Überhitzung reagiert, verwendet die Festkörperbatterie ein Elektrolyt aus festem Material. Ebenso sind die Elektroden aus festem Material aufgebaut. Die höhere Energiedichte ermöglicht eine größere Reichweite und kürzere Ladezeit. Anders als zum bisher flüssigen Leiter ist die Brandgefahr einer Festkörperbatterie stark vermindert. Auch soll sich der Einsatz von Kobalt erheblich reduzieren lassen. 

Was ist der Memory-Effekt?

Oft hört man, dass grundsätzlich alle Akkus von dem sogenannten „Memory-Effekt“ betroffen sind und durch zu frühzeitiges Aufladen Energiekapazität verlieren. Der Memory-Effekt wurde bereits in den 1960er Jahren von Ingenieuren der NASA entdeckt. Diesen fiel auf, dass die in einem Satelliten verbauten Akkus über die Zeit an Kapazität verloren. So stellten die Akkus nach wiederholten Teilentladungen nur noch so viel Energie bereit, wie zuvor aufgeladen wurde. 

Vorwiegend tritt der Memory-Effekt bei Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd) auf, die häufig in kabellosen Werkzeugen verbaut wurden. Hervorgerufen wird der Effekt durch Kristallbildung an der aus Cadmium bestehenden Kathode. Der Akku „merkt“ sich durch wiederholtes kurzzeitiges Laden den Stand der Teilentladung und stellt im weiteren Gebrauch nur noch diese „gemerkte“ Menge an Energie zur Verfügung. Nimmt die Leistung des Akkus ab, verringert sich automatisch die Einsatzzeit des akkubetriebenen Geräts. Das Resultat: In der Praxis muss der Akku immer häufiger geladen werden. Im schlimmsten Fall wird er frühzeitig unbrauchbar.

 

Aber sind auch die in Elektrofahrzeugen verbauten Akkus von diesem Kapazitätsverlust betroffen?

Nein! Bei modernen Li-Ionen-Akkus ist der Memory-Effekt nicht mehr feststellbar, da ihre Zellchemie eine ganz andere ist, als bei früher verwendeten NiCD- und NiMH-Zellen.

Wie lange hält ein Akku und was ist der SoH?

Die Lebensdauer eines Akkus lässt sich nicht pauschal in Jahren beziffern. Entscheidender für den Verschleiß der Speichertechnik ist die Anzahl der Ladezyklen. Dieser Wert beschreibt nämlich, wie oft und in welchem Umfang du den Akku entladen und wieder aufladen kannst. Ein vollständiger Ladezyklus umfasst dabei das vollständige Aufladen eines komplett leeren Akkus – also von 0 auf 100 Prozent. Wird dein Akku stattdessen nur von 75 auf 100 Prozent aufgeladen, entspricht das einem Viertel-Zyklus. Vier solcher kurzen Ladevorgänge kämen also einem kompletten Zyklus gleich. Ein kompletter Ladezyklus findet in der Praxis allerdings sehr selten statt, denn zumeist befindet sich im Akku noch ein wenig Strom oder Restreichweite.

Mittlerweile halten Lithium-Ionen-Akkus auch nach 800-1.200 kompletten Ladezyklen noch 80 % oder sogar mehr der ursprünglichen Kapazität. Dazu ein Beispiel: wenn du deinen Elektroroller mit einer Reichweite von 120 km einmal pro Woche lädst, hast du nach 15 Jahren immer noch knapp 100 km Reichweite verfügbar.

Wie gesund ein Akku ist, sagt der SoH-Wert aus, der State of Health. Dieser beträgt  zum Zeitpunkt der Herstellung 100 % und nimmt mit der Zeit und bei der Nutzung ab. Den SOH eines Akkus kann durch die Anwendung einer Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) bestimmt werden. Innerhalb weniger Minuten wird ein Impedanzprofil über einen definierten Frequenzbereich ermittelt. Dabei werden verschiedene Messwerte der Wechselspannung und Temperatur der Zelle ausgewertet. Oftmals geben auch einfache Annäherungen über die Erfassung der Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen, die Gesamtstromaufnahme, das zeitliche Alter oder auch die Temperaturänderung bei einer definierten Entladung Auskunft über den SOH eines Akkus. Also einfach fahren und beobachten, ob und wie sich das Ladeverhalten verändert, dann bekommt man in der Regel ein gutes Gefühl den SOH selbst gut einschätzen zu können.

Was versteht man unter der Kapazität eines Akkus?

Die Kapazität eines Akkus sagt aus, wie viel elektrische Ladung gespeichert werden kann. Angegeben wird die Akkukapazität in Amperestunden (Ah). Technisch beschreibt sie also, wie lange (in Stunden) der Akku in der Lage ist, eine bestimmte Stromstärke (gemessen in Ampere) zu liefern.

Hierzu ein Beispiel: Ein Akku, der 10 Stunden (10 h) lang genau ein Ampere (1 A) liefert, besitzt eine Kapazität von 10 Amperestunden (10 Ah). Immer mehr setzt sich allerdings die Kapazitätsangabe in Wattstunden (Wh) durch, weil diese die Spannung mit einbezieht und so unterschiedliche Akkutypen besser vergleichbar macht. Diese Energiemenge berechnest du, indem du die Amperestunden mit der jeweiligen Spannung des Akkus multiplizierst. Beispiel: 10 Ah × 26 Volt = 260 Wh. Dagegen würde ein 10‑Ah-Akku mit einer Spannung von 36 Volt also 360 Wattstunden speichern und dir eine größere Reichweite ermöglichen.

Was ist der SoC?

Übersetzt wird SoC - State of Sharge -mit dem aktuellen Ladezustand einer Batterie. Der Wert wird wie auch beim SoH in Prozent angegeben. Ist die Batterie voll geladen ist der SOC bei 100 %, ist die Batterie leer bei 0 %. 

Was ist ein Batterie-Management System (BMS)?

Das Batterie-Management-System (BMS) ist ein zentraler Bestandteil eines Lithium-Ionen-Akkus. Diese elektronische Steuerung schützt den Akku und sorgt für eine konstante Leistungsstärke. Das BMS steuert die Leistungsaufnahme und -abgabe. Werden definierte Grenzwerte über- oder unterschritten schaltet das BMS den Akku ab und verhindert so eine Beschädigung. Es verhindert sowohl eine Überladung als auch eine Tiefentladung der Batteriezellen. Ein gut funktionierendes Batterie-Management-System garantiert Zuverlässigkeit, hohe Effizienz und Langlebigkeit.

Was versteht man unter Ladeverlusten?

Hast du schon mal beim Tanken deines Verbrenners ein bisschen Benzin oder Diesel verschüttet? Klar, das passiert den Besten unter uns. Grundsätzlich ist es natürlich nicht möglich Elektrizität zu “verschütten”, dennoch passiert das theoretisch jedes Mal, wenn du dein Elektrofahrzeug lädst. Das sind die sogenannten Ladeverluste. 

Ladeverluste bedeuten, dass nicht die gesamte beim Ladevorgang verwendete Energie auch tatsächlich im Akku ankommt. Das heißt, dass leider etwas mehr Strom benötigt wird, um den Akku wirklich vollzuladen. Weil die Traktionsbatterien des Elektroautos nur Gleichstrom speichern können, aus dem Stromnetz aber Wechselstrom geliefert wird, muss das On-Board-Ladegerät diesen Strom in Gleichstrom umwandeln. Schon hier entstehen erhebliche Verluste. Das Laden an der heimischen Wallbox erfolgt im Normalfall dreiphasig (statt einphasig) und daher mit einer größeren Ladeleistung. Beim Laden mit Wechselstrom gilt die Faustformel: je höher die Ladeleistung, desto kürzer der Ladevorgang, desto geringer die Ladeverluste. Das Laden an der Wallbox mit maximaler Ladeleistung ist also im Endeffekt kostengünstiger als das langsame Laden mit höheren Ladeverlusten. Wobei du den Akku sowieso nicht immer bis auf die vollen 100 % aufladen solltest, um die Haltbarkeit deines Fahrzeugakkus zu verlängern. Wie effizient ein Elektrofahrzeug lädt, hängt aber grundsätzlich von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem dem Hersteller, der Batteriegröße und auch der Art der Batterie. Einen Vergleich verschiedener Hersteller findest du beim ADAC.

Letztendlich heißt ein Ladeverlust leider, dass du für das Laden etwas mehr zahlst, als du tatsächlich erhältst. Der Ladeanbieter rechnet dir nämlich die Kosten für den gesamten geladenen Strom ab — inklusive des „verlorenen“ Teils. Aber wir sind uns sicher, dass die Forschung und Entwicklung auch hier in Zukunft Fortschritte erzielen wird!

Was bedeutet das Second Life eines Akkus?

Das Lebensende eines e-Fahrzeugs erreicht, aber der Akku kann selbst nach jahrelanger Nutzung, noch weiter verwertet werden. Auch nach 15 Jahren kann z. B. der Akku eines e-Mopeds noch 80 Prozent Ladekapazität aufweisen. Er muss nicht zwangsläufig entsorgt werden.

Er kann beispielsweise noch 10 weitere Jahre als Stromspeicher für überschüssige Energie aus Wind- oder Solarenergie dienen. Somit erhalten mehrere Akkumulatoren, zusammengeschlossen zu einem großen Energiespeicher, ein „Second Life“ in Industrieanlagen, oder im häuslichen Stromnetz, das an Pho­to­vol­ta­ik­an­la­gen gekoppelt ist. Gebrauchte Akkus setzt man auch zur Leistungspufferung bei Schnellladesäulen oder Notstromversorgung ein. Stellt man nach entsprechender Zeit auch bei dieser Zweitverwertung einen deutlichen Leistungsverlust fest, können die Bestandteile des Akkus im Rahmen des Batterie-Recyclings stofflich wiederverwertet werden.

Was ist ein Rapidgate?

Unter Rapidgate versteht man die Beschränkung der Lade- und Fahrleistungen eines Elektroautos aufgrund mehrmaligen Schnellladens in kurzen, aufeinanderfolgenden Abständen. Der Begriff kam erstmalig Anfang 2018 auf und bezog sich auf Erlebnisberichte des Nissan Leaf mit einem 40 kWh-Akku. Schnellladungen an einer DC-Ladestation heizen die Batterie auf. Um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern, greif bei Rapidgate ein Mechanismus, der die Ladegeschwindigkeit begrenzt.

Und was bedeutet Coldgate?

Neben zu hohen sind auch sehr niedrige Temperaturen schlecht. Eine kalte Batterie kann weniger Leistung aufnehmen. Von dem sogenannten Coldgate sprechen wir, wenn die Ladeleistung bei zu niedrigen Außen- und Batterietemperaturen einbricht. Der Ladestrom wird durch einen kalten Akku begrenzt und die Geschwindigkeit verlangsamt sich. So kann es vorkommen, dass die Standzeit an der Schnellladesäule erheblich länger zu Buche schlägt als zuvor eingeplant. Hier hilft die Nutzung einer Batterieheizung. Diese verbraucht zwar auch etwas Energie, kann aber die Ladeeffizienz enorm steigern, wenn man dieser ein paar Minuten vor Beginn des Ladevorgangs aktiviert.

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