Elektromobilität und Batterietechnologie. Werden die von den Herstellern veröffentlichten Werte von Reichweite und Lebensdauer durch Lithium-Ionen-Batterien erreicht?


Projektarbeit, 2020

30 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Aufbau und Funktionsweise der Lithium-Ionen-Batterien

3 Grunds ä tzliches zur Lebensdauer von Batterien
3.1 Was versteht man unter der Lebensdauer einer Batterie?
3.2 Wie lässt sich die Lebensdauer einer Batterie bestimmen?
3.3 Was passiert bei der Alterung einer Batterie?

4 Welche Einflüsse können die Lebensdauer von Batterien und die Reichweite von Elektrofahrzeugen einschränken?
4.1 Anzahl der Ladezyklen - Zyklenfestigkeit
4.2 Bedeutung der Entladetiefe
4.3 Ladeverfahren
4.4 Auswirkungen des Fahrverhaltens
4.5 Einfluss der thermischen Belastung
4.6 Thermomanagement

5 Ausgewählte Elektrofahrzeuge mit Stromverbrauch im ADAC Ecotest und Stromverbrauch nach Herstellerangaben

6 Befragung von ausgew ä hlten Fahrzeughändlern

7 Ausblick

8 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 21 A Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

2.1 Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie

4.1 Zusammenhang zwischen Zyklenfestigkeit und Entladetiefe

5.1 Reichweitenvergleich bzw. Stromverbrauch von E-Fahrzeugen

1 Einleitung

Ausgehend von den massiven Auswirkungen des Klimawandels wird verstärkt nach alter-nativen Antrieben und Treibstoffen gesucht, um den privaten Personenverkehr im Sinne von CO2-Reduktion zu gestalten. In den letzten Jahren ist daher auch in Österreich die Elektromobilität in den Blickpunkt von Wirtschaft, Technik und Politik gerückt. Mit der Elektromobilität wird die Hoffnung verbunden, die Treibhausgasemissionen nachhaltig zu reduzieren.

Um die angepeilten Ziele zu erreichen, sind gewaltige Anstrengungen in den Bereichen Tech-nik und Forschung notwendig. Dabei hat sich die Batterietechnologie zu einem strategisch wichtigen und in der Öffentlichkeit stark wahrgenommenen Forschungsfeld entwickelt. Die Batterie ist das Herzstück und die entscheidende Komponente bei der Elektrifizierung von Fahrzeugen. Sie bestimmt nämlich einerseits zu einem hohen Anteil die Fahrzeugkosten, andererseits wird durch ihre Leistungsfähigkeit die Reichweite und letztendlich auch die Lebensdauer eines Fahrzeuges maßgeblich bestimmt. In diesem Kontext nimmt daher die Batterie eine Schlüsselstellung in der Elektrifizierung des Antriebsstranges ein. Die Frage ist, ob die derzeitige Batterietechnologie die hohen Erwartungen erfüllt.

Diese Arbeit geht dieser Fragestellung nach und berücksichtigt dabei die vorliegenden wissenschaftlichen Publikationen. Zuerst erfolgt ein kurzer Überblick über das Funkti-onsprinzip von Batterien, insbesondere der Lithium-Ionen-Batterie. Anschließend werden einige Kernfragen zur Batterielebensdauer abgeklärt. In einem weiteren Schritt werden jene Einflüsse, welche auf die Batterie zum Teil massiv negative Auswirkungen haben, beschrieben. Im Besonderen gilt dies für die thermische Belastung der Batterie. Um eine Schädigung durch zu hohe bzw. zu niedrige Temperaturen zu verhindern, ist ein technisch aufwändiges Thermomanagement notwendig. Auch dieses verbraucht Energie, welche durch die Batterie gedeckt werden muss.

In einer Zusammenfassung der bisherigen Erkenntnisse wird versucht, die von den Fahr-zeugherstellern veröffentlichten Reichweitenangaben zu evaluieren. Letztendlich wird im Ausblick auf die neuen Entwicklungen in der Batterietechnologie hingewiesen.

Weil unklar ist, ob und wenn ja, in welchem Ausmaß der Fahrzeughandel diese Problematik gegenüber den potenziellen Käufern kommuniziert, wird diese Fragestellung in Form von Telefoninterviews erhoben. In einer abschließenden Betrachtung werden, ausgehend von den dargestellten technischen Aspekten und den durchgeführten Interviews, Schlussfolgerungen über die aktuelle Situation in Österreich dargestellt.

2 Aufbau und Funktionsweise der Lithium-Ionen-Batterien

Die grundlegende funktionale Komponente von Lithium-Ionen-Batterien bildet, wie bei jeder Batterie, die einzelne Zelle. Ihre Aufgabe besteht darin, elektrische Energie in chemi-sche Energie zu transformieren, zu speichern und diese bei Bedarf wieder als elektrische Energie bereitzustellen. Batterien bestehen immer aus mehreren gleichartigen Zellen, die in Reihe zu sogenannten Modulen zusammengeschaltet werden, um die für die jeweilige Anwendung erforderliche elektrische Kapazität (d.h. elektrische Ladung oder Spannung) zu erreichen. Mehrere Module werden zu einem Batteriesystem oder Batteriepack verbunden. Typische Spannungen für Antriebsbatterien im Fahrzeug liegen im Bereich von 400 V. (vgl. Hilgers 2016: 10) Jede Zelle besteht grundsätzlich aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), einem Elektrolyten, einem Separator und einem Gehäuse.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie Quelle: vgl. Tschöcke 2015: 61

Unter dem Begriff Lithium-Ionen-Batterie sind viele verschiedene Batterietechnologien zusammengefasst, die alle auf dem oben beschriebenen Funktionsprinzip beruhen. Diese Batterie gehört zur Klasse der Interkalationsbatterien, bei denen beim Laden und Entladen der Zelle, Lithium-Ionen an der einen Elektrode ausgelagert werden, durch den Elektrolyten zur gegenüberliegenden Elektrode wandern und sich dort wieder in das Kristallgitter des Elektrodenmaterials einlagern.

Da es sich hierbei um eine reine Ein- und Auslagerung der Lithium-Ionen in ein Kris-tallgitter handelt, bleiben die Kristallstrukturen erhalten. Das ermöglicht prinzipiell eine hohe Zyklenlebensdauer. Dieses Prinzip hat auch den Vorteil, dass Lithium nicht in sei­ner hochreaktiven metallischen Form vorkommt, wie das bei Lithium-Metall-Batterien der Fall ist. Hier erhöhen sich Sicherheit und Lebensdauer, da sich das Lithium-Ion in fest definierte Gitterplätze einlagert. (vgl. Tschöke 2015: 61) Wie in der einschlägigen Fachliteratur beschrieben, gibt es eine Vielzahl von Varianten von Lithium-Ionen-Zellen. Eine grobe Differenzierung dieser Varianten kann nach dem verwendeten Kathoden- oder Anodenaktivmaterial vorgenommen werden. Häufig besteht die Kathode in Lithium-Ionen-Batterien aus einem Metalloxyd, während die Anode aus einer Kohlenstoffmodifikation besteht, beispielsweise Graphit. Beide Elektroden haben hochporöse Strukturen, zusam-mengesetzt aus Einzelpartikeln der Aktivmaterialien, sowie Binde- und Leitmaterialien. Sie weisen eine große Oberfläche auf und ermöglichen dadurch eine hohe Reaktionsrate. Als Bindematerialien werden häufig verschiedene Formen von Polyvinylidenfluorid (PVDF) verwendet, als Leitmaterial oft Kohlenstoffe. Die Elektrodenmaterialien sind auf einer dünnen Metallfolie aufgetragen (Aluminium an der Kathode, Kupfer an der Anode), die gleichzeitig als Stromableiter dient. Als Elektrolyt wird ein Lithiumsalz in einem orga-nischen Sulfat gelöst, das bei den im Nennbetrieb auftretenden Potentialen weitgehend stabil ist. Der Separator besteht in aller Regel aus einer porösen Polymerstruktur, die, wie auch die Elektroden, mit dem Elektrolyt getränkt ist. (vgl. Tschöke 2015: 61) Egal welche Materialkombination vorliegt, jede einzelne Lithium-Ionen-Zelle muss mit einer elektroni-schen Schutzschaltung betrieben werden. Damit verhindert man Spannungsbereiche, die dem Material schaden könnten. Bei einer Überladung der Zelle würde sich zum Beispiel der Elektrolyt zersetzen. Die Zelle beginnt dann Gas zu entwickeln und es kommt zum Ausfall der Zelle, im schlimmsten Fall zum Brand. (vgl. Tschöke 2015: 63)

3 Grunds ä tzliches zur Lebensdauer von Batterien

Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor sind Elektroautos einfach gebaut. Es gibt an den meisten Komponenten nur geringen mechanischen Verschleiß. Außerdem kommt ein Elektroauto ohne Getriebe, Kupplung, Katalysator, Kraftstofftank, Lichtmaschine und vielen anderen Bauteilen aus. Elektroautos könnten also sehr lange genutzt werden, wäre da nicht die Antriebsbatterie. Sie beeinflusst im besonderen Maße die tatsächliche Lebensdauer eines Elektrofahrzeuges. Sowohl für die Fahrzeug- als auch für die Batteriehersteller ist es wichtig, möglichst genau das Alterungsverhalten ihrer Antriebsbat-terien zu kennen. Entweder um durch technische Verbesserungen die Lebensdauer weiter zu verlängern oder um verlässliche Garantiezusagen geben zu können. Darüber hinaus ist die Batterie derzeit die mit Abstand teuerste Komponente eines Elektrofahrzeuges. Noch vor wenigen Jahren war die Batterielebensdauer wesentlich kürzer als die Haltbarkeit des Fahrzeuges. Auch wenn sich das in den letzten Jahren positiv verändert hat, spielt die Lebensdauer einer Batterie nach wie vor eine große Rolle bei der Kaufentscheidung von potentiellen Käufern. Allerdings hat auch der Benützer eines E-Autos wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie, je nachdem wie er sein Fahrzeug beansprucht. Auch wenn eine Batterie wartungsfrei ist, gibt es eine Reihe von Einflüssen, welche die Lebensdauer drastisch verringern können.

3.1 Was versteht man unter der Lebensdauer einer Batterie?

Die Lebensdauer einer wiederaufladbaren Batterie ist die Zeitspanne zwischen dem Aus-lieferungszeitpunkt (engl. Begin of Life, abk.: BoL oder BOL) und dem Zeitpunkt, zu dem die zuvor definierten Werte unterschritten werden (engl. End of Life, abk.: EoL oder

3.2 Wie lässt sich die Lebensdauer einer Batterie bestimmen?

EOL). Die Lebensdauer gibt also Auskunft darüber, wie lange eine Batterie als Energie-speicher für eine bestimmte Anwendung unter akzeptablen Leistungseinbußen eingesetzt werden kann. Genaue Zeitangaben sind allerdings schwierig, weil die Lebensdauer von einer Reihe verschiedener Faktoren abhängt und damit nicht einfach zu bestimmen ist.(vgl. Batterieforum Deutschland, Studie 2015) Die Lebensdauer hängt auch vom Ladezustand, der Umgebungstemperatur, der Zyklenzahl und der Entladetiefe ab. Grundsätzlich wird zwischen der kalendarischen und der zyklischen Alterung unterschieden. Die kalendarische Alterung erfolgt auch teilweise nur mit der Zeit, ohne Einfluss des Stromflusses und ohne dass die Batterie benützt wird. Die zyklische Lebensdauer wird im Wesentlichen durch die Anzahl der Zyklen (Aufladung und Entladung) bestimmt.

3.2 Wie l ä sst sich die Lebensdauer einer Batterie bestimmen?

Da die Lithium-Ionen-Technologie in der E-Mobilität eine relativ junge Anwendung dar-stellt, gibt es in Bezug auf die Alterung der Batterie noch wenig praktische Erfahrung. Lebensdauertests benötigen, selbst bei stark beschleunigten Verfahren, Monate bis Jahre. Aus diesem Grund liegen bisher nur geringe Erfahrungswerte und eine geringe Genauigkeit über die Lebensdauer der Energiespeicher in Elektromobilen vor. (vgl. Korthauer 2013: 412) Zur Bestimmung der Lebensdauer greift die Industrie daher auf künstlich beschleunigte Alterungsverfahren zurück, wobei der gesamte Lebenszyklus einer Batterie in möglichst kurzer Zeit nachgestellt wird. Bei den Tests wird zwischen der kalendarischen und der zyklischen Alterung unterschieden, da ihnen unterschiedliche physikalische Gesetzmäßig-keiten zugrunde liegen. Die kalendarische Alterung wird durch eine Temperaturerhöhung beschleunigt. Die zyklische Alterung wird durch den Ladungsdurchsatz pro Zeit erhöht, etwa über die C-Rate oder die Entladetiefe. So wird in geraffter Zeit eine annähernde Lebensdauerprüfung und Prognose möglich. (vgl. Hofmann 2015: 3) Die C-Rate entspricht dabei der angegebenen Nennkapazität pro Stunde. Eine Batterie, welche mit 1 C geladen bzw. entladen wird, benötigt für die Ladung bzw. Entladung dann (theoretisch) eine Stun-de. Bei einer Batterie mit 3,5 Ah Nennkapazität beträgt die 1 C-Rate dementsprechend 3,5 A. Die 5 C-Rate entspricht 17,5 A.

3.3 Was passiert bei der Alterung einer Batterie?

Wie Menschen haben auch Batterien nur eine begrenzte Lebensdauer, weil sie altern. Materialien in einer Batterie verschleißen und die chemischen Verbindungen, die für die Speicherung der Energie verantwortlich sind, werden langsam zersetzt, wodurch es zu einer Verschlechterung der Eigenschaften der Batterie kommt. Mit zunehmender Lebensdauer einer Batterie lassen sich zwei Effekte beobachten: Zum einen nimmt sukzessive die Kapa-zität der Batterie ab, worunter natürlich die Reichweite des Elektrofahrzeuges leidet. Zum anderen steigt der Innenwiderstand der Batterie an, was zu einem Leistungsverlust etwa während des Beschleunigungsvorganges führt. Diese Effekte sind auf den Alterungsvorgang einer Batterie zurückzuführen. Die Alterung beruht auf physikalisch-chemischen Effekten, etwa der Verlust von Elektrodenmaterial, das Auftrennen von elektrischen Leitpfaden oder eine erhöhte Ladungs-Transfer-Impedanz. Für die Alterung von Batterien gibt es also viele Ursachen. Besonders hervorzuheben sind Veränderungen an der Grenzfläche zwischen Anode und Elektrolyt (Solid Electrolyte Interface, SEI). Durch chemische Prozesse wächst diese Schicht im Laufe der Lebensdauer immer weiter an. Darunter leidet die Kapazität der Batterie. Die Lithium-Ionen, die in Verbindungen überführt werden, können nicht mehr elektrochemisch reagieren. Außerdem nimmt die Dicke der Schicht zu, welche die Lithium-Ionen im Elektrolyt durchwandern müssen. Dies lässt wiederum den ohmschen Widerstand innerhalb der Batterie ansteigen. Auch mechanische Belastungen können zur Alterung der Batterie führen. Wenn Lithium-Ionen in die Aktivmaterialien eingelagert werden, können Spannungen auftreten, die schließlich Risse innerhalb der Partikel bilden, die in der Folge auseinanderbrechen. Auch die Erhöhung der Zelltemperatur beschleunigt die Batteriealterung. (vgl. Hofmann 2015: 2) Dem Phänomen, dass Batterien mit jeder Ladung und Entladung ein kleines Stück schwächer werden, d.h. altern, hat sich Universi-tätsprofessor Steve W. Martin in einem Blogpost gewidmet. Bekannt ist das Phänomen unter der Bezeichnung ”Capacity Loss”, also Kapazitätsverlust. Laut Martin ist dies ein Resultat des Hauptsatzes der Thermodynamik. Sinngemäß besagt dieser, dass, wenn es zu einer Zustandsänderung kommt, Energie verloren geht bzw. in Wärme umgewandelt wird. Die verlorene Energie kann nicht mehr wiederhergestellt werden.(vgl. Prenner 2019)

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Ende der Leseprobe aus 30 Seiten

Details

Titel
Elektromobilität und Batterietechnologie. Werden die von den Herstellern veröffentlichten Werte von Reichweite und Lebensdauer durch Lithium-Ionen-Batterien erreicht?
Hochschule
Hamburger Fern-Hochschule
Note
1,7
Autor
Jahr
2020
Seiten
30
Katalognummer
V903814
ISBN (eBook)
9783346201003
ISBN (Buch)
9783346201010
Sprache
Deutsch
Schlagworte
batterietechnologie, elektromobilität, herstellern, lebensdauer, lithium-ionen-batterien, reichweite, werden, werte
Arbeit zitieren
Marvin Penz (Autor), 2020, Elektromobilität und Batterietechnologie. Werden die von den Herstellern veröffentlichten Werte von Reichweite und Lebensdauer durch Lithium-Ionen-Batterien erreicht?, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/903814

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