Grundlagen von Batterien
Wiederaufladbare Batteriezellen speichern Energie chemisch und geben sie als Elektrizität ab, indem geladene Ionen zwischen zwei Elektroden wandern, während Elektronen durch einen externen Stromkreis fließen. Die meisten Elektrofahrzeuge verwenden Lithium-Ionen-Zellen. Natrium-Ionen-Zellen funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip, nutzen jedoch andere Materialien und Ladungsträger.
Von der Zelle zum Batteriepack
Eine Zelle ist die kleinste vollständige elektrochemische Energiespeichereinheit. Eine einzelne Zelle erzeugt normalerweise nur wenige Volt. Ein Elektrofahrzeug verbindet daher viele Zellen, um die benötigte Spannung und Energie bereitzustellen.
Zellen können zu Modulen zusammengefasst und die Module anschließend in einem Batteriepack installiert werden. Einige neuere Packs integrieren die Zellen direkt in die Packstruktur und verzichten auf herkömmliche Modulgehäuse.
Das vollständige Pack enthält außerdem elektrische Verbindungen, Kühl- oder Heizkomponenten, Sensoren, Schütze, Sicherungen, ein Schutzgehäuse und ein Batteriemanagementsystem.
Das Kapitel Batteriepack und Konfiguration erklärt, wie Zellen elektrisch verbunden und physisch integriert werden.
Was befindet sich in einer Batteriezelle?
Eine herkömmliche Lithium-Ionen-Zelle besteht aus fünf wesentlichen Komponententypen:
- Einer negativen Elektrode
- Einer positiven Elektrode
- Einem Elektrolyten
- Einem Separator
- Stromkollektoren für beide Elektroden
Die negative Elektrode wird meist als Anode, die positive Elektrode als Kathode bezeichnet. Diese Bezeichnungen beschreiben ihre Funktion beim Entladen der Batterie. In der Batteriefachliteratur werden üblicherweise auch beim Laden dieselben Namen verwendet.
Negative Elektrode
Die negative Elektrode speichert Lithium-Ionen, wenn die Zelle geladen ist, und gibt sie beim Entladen der Zelle ab.
Die meisten heutigen Lithium-Ionen-Zellen für Elektrofahrzeuge verwenden Graphit als Hauptmaterial der negativen Elektrode. Manche enthalten zusätzlich Silizium, um die speicherbare Lithiummenge zu erhöhen. Das Lithium ist im Elektrodenmaterial gebunden und wird nicht als loses metallisches Lithium gespeichert.
Positive Elektrode
Die positive Elektrode gibt beim Laden Lithium-Ionen ab und nimmt sie beim Entladen auf.
Ihr aktives Material ist einer der wichtigsten Faktoren für die Zellchemie. Zu den in Elektrofahrzeugen verbreiteten Kathodenfamilien gehören Lithium-Eisenphosphat (LFP), Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA).
Das Kapitel Zellchemie und Komponenten erklärt diese Materialien und ihre jeweiligen Kompromisse ausführlicher.
Elektrolyt
Der Elektrolyt ermöglicht den Ionentransport zwischen den beiden Elektroden.
Die meisten heutigen EV-Zellen verwenden einen flüssigen Elektrolyten mit einem in organischen Lösungsmitteln gelösten Lithiumsalz. Andere Bauformen können Gel-, halbfeste, polymere oder feste Elektrolyte nutzen.
Der Elektrolyt leitet die Ionen innerhalb der Zelle. Die Elektronen sollen dagegen durch den externen Stromkreis fließen.
Separator
Der Separator ist eine dünne, poröse Membran zwischen der positiven und der negativen Elektrode.
Er verhindert den direkten physischen Kontakt der Elektroden, der einen internen Kurzschluss verursachen könnte. Seine mikroskopisch kleinen Poren lassen die Ionen dennoch durch den Elektrolyten wandern.
Stromkollektoren
Die aktiven Elektrodenmaterialien werden auf dünne leitfähige Folien aufgetragen, die als Stromkollektoren bezeichnet werden. Diese Folien transportieren Elektronen zwischen den Elektrodenmaterialien und den Zellanschlüssen.
Herkömmliche Lithium-Ionen-Zellen verwenden normalerweise Kupferfolie auf der Seite der negativen Elektrode und Aluminiumfolie auf der Seite der positiven Elektrode. (U.S. Department of Energy)
So funktioniert das Entladen
Beim Entladen der Zelle wandern Lithium-Ionen durch den Elektrolyten und den Separator von der negativen zur positiven Elektrode.
Elektronen können nicht demselben inneren Weg durch den Separator folgen. Sie fließen durch den externen Stromkreis vom negativen zum positiven Anschluss. Dieser Elektronenfluss versorgt das Fahrzeug mit elektrischer Energie. (U.S. Department of Energy)
Während des Entladens:
- Die negative Elektrode gibt Lithium-Ionen an den Elektrolyten ab
- Die Ionen wandern durch den Separator zur positiven Elektrode
- Elektronen verlassen die negative Elektrode über ihren Stromkollektor
- Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis
- Die positive Elektrode nimmt die zurückkehrenden Ionen und Elektronen auf
Eine EV-Batterie liefert Gleichstrom. Die Leistungselektronik des Fahrzeugs regelt diese Energie und führt sie dem Elektromotor und anderen Hochvoltsystemen zu.
So funktioniert das Laden
Beim Laden kehrt sich die Bewegung von Ionen und Elektronen um.
Eine externe Stromquelle entzieht der positiven Elektrode Elektronen und führt sie über den Stromkreis der negativen Elektrode zu. Gleichzeitig wandern Lithium-Ionen durch den Elektrolyten von der positiven zurück zur negativen Elektrode.
Während des Ladens:
- Die positive Elektrode gibt Lithium-Ionen ab
- Die Ionen wandern durch Elektrolyt und Separator
- Der positiven Elektrode werden Elektronen entzogen
- Das Ladesystem führt der negativen Elektrode Elektronen zu
- Die negative Elektrode speichert die zurückkehrenden Lithium-Ionen
- Elektrische Energie wird in gespeicherte chemische Energie umgewandelt
Beim regenerativen Bremsen läuft derselbe grundlegende Prozess ab. Der Elektromotor arbeitet als Generator und wandelt einen Teil der Bewegungsenergie des Fahrzeugs in elektrische Energie um, die in die Batterie zurückgeführt werden kann.
Die Abbildung zeigt das gemeinsame Funktionsprinzip von Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen. Lithium-Ionen-Zellen bewegen Li⁺-Ionen zwischen den Elektroden, Natrium-Ionen-Zellen dagegen Na⁺-Ionen. Elektrodenmaterialien, Spannung, Elektrolyt und konstruktive Details unterscheiden sich.
Spannung, Strom, Leistung und Energie
Diese Begriffe beschreiben unterschiedliche Eigenschaften einer Batterie:
- Spannung (V) ist die elektrische Potenzialdifferenz, die Strom durch einen Stromkreis treibt.
- Strom (A) beschreibt die Flussrate elektrischer Ladung.
- Leistung (kW) beschreibt, wie schnell die Batterie Energie abgibt oder aufnimmt.
- Kapazität (Ah) beschreibt, wie viel elektrische Ladung eine Zelle oder Batterie bewegen kann.
- Energie (kWh) beschreibt, wie viel elektrische Arbeit die Batterie bereitstellen kann.
Die elektrische Leistung wird aus Spannung und Strom berechnet:
Leistung (kW) = Spannung (V) × Strom (A) ÷ 1,000
Die ungefähre Nennenergie einer Batterie lässt sich aus Spannung und Amperestundenkapazität berechnen:
Energie (kWh) ≈ Nennspannung (V) × Kapazität (Ah) ÷ 1,000
Dies ist eine Näherung, da sich die Zellspannung fortlaufend mit Ladezustand, Strom, Temperatur und Chemie verändert.
Eine energiereiche Batterie kann viel Energie speichern, während eine leistungsstarke Batterie diese Energie schnell abgeben oder aufnehmen kann. Bei der Batterieentwicklung ist oft ein Kompromiss zwischen Energiedichte, Leistung, Ladegeschwindigkeit, Haltbarkeit, Sicherheit, Masse und Kosten erforderlich.
Zellspannung und Betriebsgrenzen
Die Spannung einer Zelle entsteht durch den Unterschied im elektrochemischen Potenzial zwischen den Materialien ihrer positiven und negativen Elektrode.
Die Spannung ist nicht konstant. Sie verändert sich beim Laden und Entladen der Zelle, und der Verlauf dieser Änderung hängt von der Chemie ab.
Typische Nennwerte sind:
- Etwa 3.2 V für eine LFP-Lithium-Ionen-Zelle
- Etwa 3.6–3.7 V für viele NMC- und NCA-Lithium-Ionen-Zellen
Die Nennspannung ist ein repräsentativer Wert für Berechnungen und Vergleiche. Die tatsächliche Zellspannung durchläuft einen breiteren Betriebsbereich.
Jede Zellkonstruktion besitzt obere und untere Spannungsgrenzen. Laden oberhalb des zulässigen Maximums oder Entladen unterhalb des Minimums kann die Zelle beschädigen, die Degradation beschleunigen oder ein Sicherheitsrisiko verursachen.
Das Batteriemanagementsystem überwacht die Zellspannung und hält die Batterie innerhalb ihres zulässigen Betriebsfensters. Es berücksichtigt außerdem Strom, Temperatur, Ladezustand und Unterschiede zwischen den Zellen.
Lithium-Ionen und Natrium-Ionen
Sowohl Lithium-Ionen- als auch Natrium-Ionen-Zellen bewegen positiv geladene Ionen zwischen zwei Elektroden, die Technologien sind jedoch nicht austauschbar.
Lithium-Ionen-Zellen bewegen Lithium-Ionen, geschrieben als Li⁺. Natrium-Ionen-Zellen bewegen Natrium-Ionen, geschrieben als Na⁺. Natrium-Ionen sind größer und interagieren anders mit Elektrodenmaterialien. Natrium-Ionen-Zellen benötigen daher eigens für Natrium entwickelte Materialien und Konstruktionen.
Die meisten Lithium-Ionen-Zellen verwenden negative Elektroden auf Graphitbasis. Natrium-Ionen-Zellen verwenden häufig Hartkohlenstoff. Auch die Materialien der positiven Elektrode, Spannung, Energiedichte, Temperaturverhalten, Kosten und Lieferketten unterscheiden sich.
Das Funktionsprinzip ist somit ähnlich, die resultierenden Zelleigenschaften können sich jedoch erheblich unterscheiden.
Warum ein Teil der Energie zu Wärme wird
Laden und Entladen sind nicht vollkommen effizient. Jede Zelle besitzt einen elektrischen und elektrochemischen Widerstand, sodass ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt wird.
Widerstand und Wärmeentwicklung hängen unter anderem von folgenden Faktoren ab:
- Zellchemie und Konstruktion
- Batterietemperatur
- Ladezustand
- Lade- oder Entladestrom
- Alter und Zustand der Zelle
Ein höherer Strom erzeugt normalerweise mehr Wärme. Niedrige Temperaturen können ebenfalls den Widerstand erhöhen und die Fähigkeit der Batterie zum Laden oder zur Leistungsabgabe verringern.
Diese Effekte erklären, warum ein Elektrofahrzeug ein Thermomanagement benötigt und warum Ladeleistung, regeneratives Bremsen und Beschleunigung eingeschränkt werden können, wenn die Batterie sehr kalt, heiß, fast voll oder fast leer ist.
Für einen tieferen technischen Einblick in die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Zellen bietet dieses Video von The Limiting Factor eine hilfreiche visuelle Erklärung.