Was in der alten Mobilitätswelt der Verbrenner ist, ist für das Elektroauto die Batterie. Sie ist das Herzstück und das wichtigste Bauteil bei E-Autos. Bereits Dr. Oliver Blume hat es einmal treffend formuliert

„Die Batteriezelle ist der Brennraum der Zukunft!“

Bei einer Batterie spricht man immer von einer sogenannten galvanischen Zelle. Dies bedeutet, dass chemische in elektrische Energie umgewandelt wird und die Reduktion freiwillig stattfindet.

Wenn man bei mobilen Anwendungen, wie einem Elektroauto, von der Batterie spricht, spricht man häufig vom Batteriepack. Das Batteriepack besteht in der Regel aus mehreren Modulen, in denen sich die Batteriezellen befinden. Die Zelle ist somit das kleinste Teil im Batteriepack.

Der Vorteil von Modulen liegt darin, dass diese eine Spannung unter 60 Volt haben. Das hat sowohl Vorteile beim Transport, wie auch bei der Lagerung, da man sich bei dieser Spannungsgröße noch nicht im Hochvoltbereich befindet. Zusammen ergeben dann die Module im Batteriepack die Systemspannung von 400 bzw. 800 Volt oder mehr. Zusätzlich bringt das Paketieren von mehreren Zellen den Vorteil, dass einzelne Module im Schadensfall ausgetauscht werden können.

Manche Hersteller verzichten auf die Modulebene und verbauen Zellen direkt als Batteriepack. Dadurch lässt sich im Bauraum des Batteriepacks mehr Aktivmaterial unterbringen und die Kapazität der Hochvoltbatterie steigt. Dieses Konzept nennt man Cell-to-Pack.

Um die Funktionsweise einer Batterie zu erklären, muss man zunächst den Aufbau einer Zelle verstehen. Die einzelnen Bestandteile der Batterien haben unterschiedliche Eigenschaften und erfüllen deshalb auch unterschiedliche Aufgaben.

Jede Batteriezelle besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten. Zwei Elektroden, der Kathode am Pluspol und der Anode am Minuspol. Ich betrachte hier lediglich die wiederaufladbaren Batterien, auch Sekundärbatterien genannt, da diese ausschließlich in Elektrofahrzeugen vorkommen. Zwischen den Elektroden befinden sich die restlichen beiden Komponenten, der Elektrolyt und der Separator.

Die Kathode ist einer von zwei Elektroden. Sie sorgt bei der Aufnahme der positiven Ionen für das Entladen der Batterie.

Die Anode stellt die Gegenelektrode zur Kathode dar. Beim Laden nimmt die Anode die geladenen Ionen auf. Sie stellt somit den Speicherplatz der elektrischen Ladung zur Verfügung.

Der Elektrolyt ist das Medium, durch das die Ionen zwischen der Anode und Kathode wandern. Durch dieses Medium wird es erst möglich, dass im wahrsten Sinne der Redewendung „Strom fließt“. Das bei Elektroautos verwendete Element ist hierbei Lithium.

Der Separator sorgt dafür, dass die beiden Elektroden räumlich getrennt sind. Dies ist notwendig um Kurzschlüsse zu vermeiden. Allerdings muss er nicht nur für Trennung sorgen, sondern auch durchlässig für die Ionen sein.

Beim Entladen wandern die Elektronen von den unedlen Metallen an der Anode zu den edlen Metallen der Kathode. Während dieses Prozesses wird Strom generiert, der im Elektromotor für den notwendigen Vortrieb sorgt. Dies passiert, wenn die Leistungselektronik die notwendige Energie für den Elektromotor abruft.

Neben dem Entladevorgang werden auch die Batterien geladen. Beim Elektroauto findet das Laden nicht nur an der Ladesäule, sondern auch im Fahrbetrieb beim Bremsen statt. Hier wird durch elektrische Leistung das Lithium Atom wieder positiv geladen. Durch die elektrische Spannung, die über das Laden oder über die Rekuperation in die Batterie gegeben wird, wandert das positiv geladene Ion wieder zur Anode. Dieser Prozess geht solange, bis alle positiven Ionen einen Platz an einer negativen Ladung gefunden haben.

Um den Wechselstrom aus dem öffentlichen Netz in die Batterie laden zu können, wird ein On-Board Charger in den Elektroautos verbaut. Dieses sorgt dafür, dass der Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom umgerichtet wird, damit dieser in der Batterie gespeichert werden kann. Das Wechselstrom-Laden wird über den Typ-2 Anschluss im Elektroauto ermöglicht. Anwendung findet das Wechselstromladen vor Allem in der heimischen Garage oder an Orten, an denen man sich länger aufhält (Hotels, Einkaufszentren). Je nach Auslegung kann das Elektrofahrzeug darüber bis zu 22 kW laden. Gängig sind heute On-Board Charger mit einer Leistung von 11 kW.

Damit die elektrische Energie aus der Batterie vom Motor genutzt werden kann, muss diese im Fahrbetrieb umgerichtet werden. Der Stator benötigt Wechselstrom, um die einzelnen Phasen im Elektromotor ansteuern zu können. Dieses Umrichten übernimmt der Inverter. Der Inverter schaltet mit hohen Frequenzen und sorgt dadurch immer für die richtige Strommenge. In diesem Bauteil liegt ein erhebliches Effizienzpotenzial, da die Schaltungen mit hohen Frequenzen thermische Verluste ergeben. Hier werden künftig Inverter auf Galliumnitrid und Siliziumkarbid-Basis Einzug in die Automotive Industrie halten, da diese Technik die thermischen Verluste minimiert.

Jede Hochvoltbatterie in einem Elektrofahrzeug hat ein sogenanntes Batteriemangementsystem kurz BMS. Dieses hat innerhalb des Batteriesystems folgende Aufgaben:

• Regeln des Be- und Entladeprozesses
• Betrieb der Batterie in definierten Temperaturen
• Überwachung des Ladezustands (SoC – State of Charge)
• Balancing der Zellen

Welche Aufgaben das im Detail befasst, wird in den folgenden Absätzen im Detail beschrieben.

Das BMS sorgt bei diesen Prozessen dafür, dass die Hochvoltbatterie beim Laden nicht Überladen wird und beim Entladen nicht tiefentladen wird.

Wenn es um das Thema Temperatur geht, möchte man die Batterie aufgrund der chemischen Prozesse anhand der verwendeten Zellchemie immer im optimalen Level halten. Nur so kann die Batterie schonend be- und entladen werden.

Über die Spannung kann der Ladezustand jeder einzelnen Zelle oder Moduls gemessen werden. Hierfür sind aufwendige Algorithmen notwendig, um Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand (SoH – State of Health) des Gesamtsystems, bis hin zu einzelnen Zellen, ziehen zu können.

Ein Modul oder ein Batteriepack ist nur auf die Leistungsfähigkeit der schwächsten Zelle limitiert. Das kann durch Fertigungstoleranzen oder durch Alterung passieren. Beim Laden steht so eine geringere Kapazität zur Verfügung und beim Entladen kann nur eine geringere Leistung abgerufen werden.

Hierbei nutzt das Balancing die Möglichkeit die Zellen unterschiedlich zu Laden und sorgt für einen Ausgleich der Ladungen. Das macht den Betrieb der Batterien sicherer und sorgt dafür, dass das gesamte Batteriepack aufgrund einer Zelle nicht mehr für die Anwendung der Mobilität genutzt werden kann.

Neben dem BMS sorgt die sogenannte Battery Junction Box dafür, dass die Batterie sicher ist. Sie ist für das Zuschalten der Hochvoltbatterie der Verbraucher verantwortlich. Sie gewährleistet, dass die Kontakte nur bei eingeschaltetem Fahrzeug an den notwendigen Komponenten anliegen.

Bei Unfällen oder im Gefahrenfall trennt sie die Hochvoltbatterie vom elektrischen System, damit für Rettungs- und Einsatzkräfte wie auch für die Insassen, keine Gefahr besteht.

Batterien können unterschiedliche Bauformen haben. Diese richten sich in der Regel nach der Anwendung, der verwendeten Zellchemie und den Kosten. Während in elektrischen Kleingeräten Knopfzellen oder Rundzellen zum Einsatz kommen, werden in der Elektromobilität insbesondere drei Arten von Zelltypen verwendet.

Eine Rundzelle ist die klassische Zelle, wie sie jeder aus dem Alltag kennt. In langen Streifen werden die Materialien in einem Metallgehäuse aufgerollt.

In einzelnen rechteckige Lagen werden Anode und Kathode und Ableitfolien übereinander gelegt. Zwischen den einzelnen Lagen wird der Separator eingebracht. Die Elektroden werden dabei zu einer Seite abgeführt und in eine Folie gepackt. Die Pouchzelle wird auch häufig „Coffee Bag Zelle“ genannt.

Bei den prismatischen Zellen handelt es sich um einen sogenannten Zell-Stack. Ihr Aufbau ist ähnlich der Pouchzelle, jedoch ist die Zelle in einem festen metallischen Gehäuse verbaut.

Die bei mobilen Geräten häufig eingesetzte Zellchemie basiert auf Lithium. Das bedeutet, dass der Elektrolyt Lithium ist. Während an der Anode häufig Graphit oder Naturgraphit eingesetzt wird, wird bei der Kathode zwischen verschiedenen Zellchemien unterschieden.

Die unterschiedlichen Materialien führen auch zu diversen Vor- und Nachteilen. Bei der Zellentwicklung betrachtet man folgende Parameter:

• Performance (Speicherkapazität, Schnellladefähigkeit)
• Nachhaltigkeit
• Verfügbarkeit
• Preis
• Recyclingfähigkeit
• Giftigkeit
• Zyklen (wie häufig kann eine Zelle Be- und Entladen werden)
• kalendarische Lebensdauer (wie lange bleibt die Zelle in Bezug auf ihre Kapazität stabil unter dem Faktor Zeit)

Je nach Materialauswahl hat das zur Folge, dass zum Beispiel bei einer guten Schnellladefähigkeit, die Lebensdauer geringer ausfällt. Das Ziel der Batterieforschung ist aktuell, dass Nachhaltigkeit vor Performance geht, unter Berücksichtigung einer möglichst ausgeglichenen Gewichtung der restlichen Eigenschaften einer Batterie.

Die Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt Verbindung, kurz NMC, ist die am häufigsten verwendete Zellchemie. Diese kam 1991 durch Sony auf den Markt. Die Erfinder wurden mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Das Cobalt ermöglicht hohe Spannungen auf Zellebene. Jedoch bringt dieser Stoff einige Nachteile mit sich. So ist Cobalt teuer, giftig und bei hohen Temperaturen oder beim Überladen entsteht Sauerstoff, der Brände hervorrufen kann.

Deshalb wurde Cobalt sukzessive durch Nickel und Mangan ersetzt. Die Gewichtung liegt bei 80% Cobalt und jeweils 10% aus Nickel und Mangan. Man spricht hierbei auch von einer 8-1-1 Zusammensetzung. Je höher der Nickelanteil ist, desto höher ist die Speicherkapazität bei dieser Zellchemie. Die Struktur, die sich bei den verwendeten Materialien ergibt, ist ähnlich wie der eines Blätterteigs. In diese Struktur muss das Lithium sich bewegen während des Entladens.

Die Lithium-Eisenphosphat Batterie, kurz LFP, besteht strukturell aus einer kanalisierten Schicht. Im Vergleich zu den anderen Verbindungen kann hier das Lithium und somit die elektrische Ladung ungehinderter von der Anode zur Kathode wandern.

Diese Zellchemie war bis vor einigen Jahren noch nicht für den Einsatz in der Elektromobilität gedacht. Jedoch haben, insbesondere die chinesischen Zellhersteller, diese Mixtur vorangetrieben. Durch Anpassungen auf Zellebene konnte die Speicherkapazität angehoben werden. Ein neues Fertigungsverfahren hat dazu beigetragen, dass diese Art der Batterie in der Elektromobilität zum Einsatz kommt. Die Firma BYD nutzt es bei ihrer Blade Batterie. Hier wird die Zelle in Form eines flachen Rechtecks, das an eine Klinge (englisch Blade) erinnert, in einen Rahmen gesteckt und ergibt die gesamte Batterie. Durch die Technik konnte ein höheres Volumen erreicht werden. Dadurch entfällt das Packaging auf Modulebene, wodurch mehr Aktivmaterial verwendet werden kann und somit die Speicherkapazität erhöht wird. Durch dieses sogenannte Cellt-to-Pack Verfahren können bis zu 30% mehr Reichweite realisiert werden.

Der Verbindung der Lithium-Nickel-Aluminium, kurz NCA, ist der NMC Batterie am ähnlichsten. Ihr größter Pluspunkt ist der Gewichtsvorteil, der durch den Einsatz von Aluminium entsteht. Das Aluminium bringt zusätzlich den Vorteil, dass es stabilisierend auf die Zellstruktur wirkt. Der relativ hohe Nickelanteil kompensiert die schlechteren Oxidationseigenschaft des Aluminiums. Hier ist der Anteil von Nickel über 80% während 10% Cobalt und der restliche Anteil aus Aluminium besteht.

Ein weiterer Vorteil dieser Zellchemie ist die höhere Energiedichte im Vergleich zu den anderen Verbindungen.

In den letzten Jahren hat sich gezeigt, wie groß das Potenzial der relativ alten Lithium Ionen Technologie ist. Die Leistungsdichten konnten verbessert und die Kosten immens verringert werden. Durch intensive Forschung und technische Veränderungen im Zelldesign, konnte die Hochvoltbatterie weiterentwickelt werden und sogar Zellchemien, wie zum Beispiel Lithium-Eisenphosphat, wurden performant für mobile Anwendungen.

All diese Erkenntnisse und die weiteren Potenziale, den Elektrolyt durch andere Stoffe wie zum Beispiel Natrium zu ersetzen, geben der Batterie nicht nur in der Mobilität, sondern auch in der Energiewende einen ganz neuen Stellenwert.