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Batterietechnik 1



Wie auch im vorigen Kapitel angesprochen, ist an die Stelle des Interesses über den Verbrennungsmotor beim E-Auto das an der Batterie getreten. Der Motor hat hier im Prinzip eh' nur eine mechanische Schwachstelle, das sind die Lager. Folglich macht man sich kaum Gedanken um die Lebensdauer des elektrischen Antriebs.

Bei der Batterie ist das anders. Sie ist schon bei normaler Kapazität das teuerste Teil im Auto. Mit ihrem Wohlbefinden steht und fällt nicht nur der Ladekomfort, sondern auch der Wiederverkaufswert. Nicht ungewöhnlich ist, dass man sie zum Ende der Garantiezeit oder vor einer geplanten Veräußerung des Wagens mit Zertifikat testen lässt.

Eigenartig, denn eigentlich besteht die Batterie schon bei ihren Anfängen im Automobil aus Zellen, die sich auch im Alltag bewährt haben. Immerhin gibt es ja noch enorme andere Felder, in denen leistungsstarke Batterien gebraucht werden. Man mag übrigens verzeihen, dass wir bei dem Begriff bleiben, denn eigentlich müsste es ja Akku heißen.

Man kann die Batterie auch nicht mit dem Tank eines Verbrenners vergleichen, denn sie bestimmt durch die Art ihrer Stromabgabe in besonderem Maße die Performance des Motors mit. Die wird ohnehin vernebelt dargestellt, wie im vorigen Kapitel dargelegt. Vielleicht muss ja die Peak-Leistung nicht nur wegen Erwärmung des Motors, sondern auch der Batterie zurückgesetzt werden.

Die Tradition moderner LiIo-Batteriezellen im Auto wurde ohne Zweifel von Tesla begründet und im Prinzip auch beibehalten. Aus den Tausenden von Zellen im Tesla Roadster sind inzwischen weniger geworden, allerdings pro Stück deutlich leistungsfähiger. Andere Firmen verzichten sogar völlig auf die runde Form der Zellen, gestalten sie noch größer und mit weniger Raumverlust.

Aber bleiben wir noch kurz bei Tesla, wo sich die Form der Zellen bislang noch nicht geändert hat. Da sie zylinderförmig ist, erhält sie eine auf ihre Maße bezogene Typenbezeichnung, nämlich der Durchmesser in Millimeter gefolgt von der Länge in Zehntel Millimeter. Sie ahnen schon, die im Roadster zu Tausenden verwendeten waren die gängigsten überhaupt.

Die Leistung von Tesla beruht lediglich darauf, diese als erste in einem (ansonsten zugekauften) Auto verwendet zu haben. D.h. eine Gigafactory für Batteriezellen von Autos war ganz im Anfang nicht nötig und orientierte sich auch für die ersten weiteren Teslas an den bestehenden. Über deren Produktionsanlauf gibt es auch weitaus weniger Berichte als den des Model 3 z.B.

Wie werden diese einzelnen Zellen verschaltet? Um eine bestimmte Spannung festzulegen, kommt Reihenschaltung infrage, bei der sich die Spannungen addieren. Will man also, sagen wir 400 V erreichen, braucht man dazu bei 4,2 V einzeln ca. 95 pro Pack. Die Kapazität ergibt sich dann aus der Anzahl von Packs oder Modulen, die parallelgeschaltet werden.

Es gibt auch noch andere mögliche Kombinationen von Reihen- und Parallelschaltungen.

800 V ergeben sich aus ca. 190 Modulen in Reihe und diese dann parallelgeschaltet. Teurer wird es also im Prinzip nicht durch die Batterie, sondern durch die übrige E-Technik, die auf diese doppelte Spannung angepasst werden muss. Die größten Vorteile sind dabei offensichtlich Gewichtseinsparung durch geringere Querschnitte und leichter mögliche Erhöhung der Ladeleistung.

Es gibt also immer noch zylindrische Batterien bei Tesla, auch die neu angekündigte '4680' ist eine solche. Damit unterscheidet sich auch die Kühlung der einzelnen Zellen fundamental von der anderer Hersteller. Fest steht, dass modulweise gekühlt wird, wobei auch hier das Problem der zunehmenden Wärmebelastung des Kühlmittels besteht.

Fließt also an der einen Seite das Kühlmittel hinein, macht es am Ende des Moduls kehrt und kommt an der anderen wieder heraus. Eine gleichmäßige Kühlung ist damit natürlich nicht unbedingt garantiert, denn das Kühlmittel wird immer wärmer. Bei Zylinderköpfen von Verbrennern ist man später auch z.T. zur Quer-Durchströmung übergegangen.

Immerhin ist sehr viel Kühlmittel möglich, weil runde stehende Zellen viel Platz zwischen sich lassen. Andere Hersteller verwenden prismatische Formen und richten diese mit ihrer größten Fläche zu einem von Kühlmittel durchströmten Boden aus. Dabei ist es prinzipiell auch möglich, Module mit Kühlflächen übereinander zu stapeln.

Das wird vermutlich dazu führen, überhaupt nicht mehr in Module aufzuteilen, sondern direkt genügend große Zellen zu nehmen. Denn immerhin wird durch die Aufteilung mehr Gewicht erzeugt. Und dann gibt es noch die Möglichkeit, auf den eigenen Batteriekasten zu verzichten und die Batterien fest in den Fahrzeugboden zu integrieren.

Vermutlich muss man nämlich die Batterien weniger häufig tauschen, als ursprünglich angenommen. Zumal manche Hersteller die Grenze dafür bei nur noch 70 Prozent der ursprünglichen Batterieleistung ansetzen. Und wenn vorzeitig demontiert werden muss, werden dann ohnehin meist nur einzelne Zellen bzw. Zellgruppen kontrolliert bzw. getauscht.

Und wie sieht es in den Batteriezellen aus? Sie bestehen aus Metallfolien, die entweder direkt aufgewickelt oder in Lagen übereinander angeordnet werden, eine für den Pluspol, die Kathode aus Cu, eine für den Minuspol, die Anode aus Al und dazwischen ein zurzeit noch immer flüssiger Elektrolyt. Auf Kathode und Anode befinden sich unterschiedliche Materialien.

Einzig durch den Elektrolyten hin und her zwischen den Folien bewegen sich Lithium-Ionen, wobei 'Ionen' besagt, dass mit ihnen elektrische Ladungen transportiert werden. Man kann jetzt die Gewinnung von Lithium auch kritisch betrachten, aber Ersatz ist hier kaum in Sicht und schließlich wird man irgendwann durch Recycling nicht mehr viel hinzufördern müssen.

Warum ist hier kein Ersatz so einfach möglich? Weil Lithium das leichteste Metall überhaupt ist. Es ist zwar ersetzlich, aber nur um den Preis wieder steigenden Batteriegewichts. Hinzu kommt nahezu unerreicht, wie relativ einfach es ist, ein Lithium-Atom zu ionisieren, es also elektrisch aufzuladen. Egal wie andere Batterien heißen, Lithium bleibt bevorzugt, besonders bei hoher Leistungsdichte.

Die wichtigsten Teile der Batterie sind neben der noch etwas ferneren Möglichkeit von festen Elektrolyten die auf den Metallfolien aufgebrachten chemischen Elemente. Die Forschung fokussiert sich hierbei auf die Kathode mit den hier aufgebrachten Metalloxiden. Diese betrafen die meisten Nachrichten von neuen Stoffen in Hochvoltbatterien.

Es müsste von einem lang andauernden Prozess berichtet werden von Kobaltoxid hin zu in letzter Zeit sogar Eisenphosphat für weniger gewichtsoptimierte, aber kostengünstigere Batterien, die überhaupt kein Kobalt mehr benötigen. Es ist zwar das für die Einlagerung von Lithium quasi naturgegebene Element, aber reichlich unerwünscht, sei es wegen Gerüchten von Kinderarbeit in Mittel-Afrika oder seiner Giftigkeit.

Eine sehr einfache zu ermittelnde Wirkung des Innenwiderstandes einer Batterie ist deren Erwärmung, wie auch bei jedem elektrischen Leiter. Diese versucht man möglichst gering zu halten. Sie begleitet natürlich sowohl den Lade- wie auch den Entladevorgang. Zu ersterem gehört also die Abtrennung des Elektrons auf der äußeren Schale des Lithium-Atoms (Bohrsches Atommodell), bewirkt durch das Anklemmen einer Gleichspannung.

Während das Elektron über die Leitung das Ladegerät und dann weiter die Anode erreicht, wird der verbleibende Rest des Li-Atoms, das jetzt positiv gewordene Li-Ion, von der Anode angezogen, weil diese durch die hereinflutenden Elektronen negativ geworden ist. Durch den Elektrolyten und den Separator hindurch gelangt es ebenfalls zur Anode. Dort gibt es dann im günstigsten Fall eine Art Wiedervereinigung.

Die Anode wird in der Regel immer noch von Grafit gebildet, nur bei absoluten Neuentwicklungen von Si und C. Obwohl auch Mischungen ausprobiert werden, erhofft man sich von dieser Seite weniger Fortschritt bei z.B. der Reduktion des Innenwiderstands als von der anderen Seite. Trotzdem kann auch hier etwas schiefgehen, sodass z.B. durch eine andere Verbindung ein Li-Atom für die Rückkehr zur Kathode nicht mehr in der Lage ist.

Das wäre dann unbrauchbar geworden, wieder ihr Elektron zu verlieren, wenn z.B. der Fahrzeugmotor als Verbraucher eingeschaltet wäre und dann sowohl Elektronen über elektrische Leitungen als auch das wieder kurzzeitig zu einem Ion gewordene Lithium den Rückweg antreten. An der Kathode sind dann ähnliche Fehlentwicklungen möglich.

Die passieren umso eher, je größer die von Erwärmung erzeugte Hektik wird. Die wird also durch schnelles Laden der Batterie ab einer gewissen Entnahme pro Zeiteinheit durch viel verlangte Motorleistung begünstigt. Lässt man den Ionen und ihren Elektronen Zeit, sich wieder zu finden und einen guten Startplatz für die nächste Aktion zu erreichen, dann hat man länger von der Batterie.

Und warum hält trotz vielleicht mehr Stress eine Batterie im Fahrzeug länger als die in einem Smartphone? Weil sich dort ein ausgeklügeltes Management lohnt. Da werden nicht nur die Lade- wie auch die Motorleistung bei Bedarf deutlich reduziert, sondern auch auf gleichmäßige Ladung möglichst aller Zellen eines Moduls geachtet.

Man kann das mit geeigneten Tools sogar kontrollieren, sich z.B. nach Vollladung die 4,1 Volt auf möglichst allen Zellen ausgeben lassen. D.h. sollte die Ladeleistung bei kalter Batterie oder über 80 Prozent deutlich sinken, so ist dies vom Lademanagement so veranlasst, um die Batterie zu schützen, bei einer Garantie auf die Lebensdauer natürlich auch im Interesse des Herstellers.

Die genutzten Möglichkeiten, um Batterien zu verbessern, also den Innenwiderstand zu verringern, sind auch gerade bei Tesla bisweilen erstaunlich einfach. Stellen Sie sich nur vor, so zwei Folien werden ineinander gewickelt und dabei nicht, wie gewohnt, nur einmal mit dem Plus- bzw. Minuspol verbunden, sondern mehrfach.

Da sind an beiden Bahnen, bei der einen nach oben und der anderen nach unten, kleine Fähnchen angebracht, die an dem jeweiligen Pol zusammengefasst sind. Und das trägt dann dazu bei, dass die Elektronen einen größeren Querschnitt vorfinden und damit weniger Widerstand. Dass diese Lösung etwas bringt, da hätte man auch schon früher draufkommen können.

Immerhin knickt Tesla bei der Kühlung ein wenig ein und schwenkt über zu den Lösungen der Konkurrenz, denn mit den neuen Zellen wird nur noch oben und unten gekühlt, also keine Nutzung der Hohlräume zwischen den runden Zellen. Die bleiben, werden sogar mit wachsendem Zelldurchmesser größer.

Da scheint die Konkurrenz überlegen zu sein, weil sie zwar mehr Aufwand betreibt als die Folien nur aufzuwickeln, aber durch die prismatische Form den Raum besser nutzt. Diese werden fälschlicherweise oft als Pouch-Zellen bezeichnet, die aber wegen ihrer unexakten Kontur für eine Hochvoltbatterie im E-Auto wohl reichlich ungeeignet sind.







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