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Batterietechnik 2



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 aufgetragenen 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. In einer flexiblen Hülle werden sie als Pouch-Zellen bezeichnet. Man sieht sie unten im Video. Wegen ihrer unexakten Kontur verwenden andere Hersteller lieber feste, leichter stapelbare Gehäuse.








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