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Lithium-Ionen-Akku im E-Auto: Das sollte man über die Elektroauto-Batterie wissen

Nichts beschäftigt Elektroauto-Interessierte so sehr wie der Akku, denn er ist verantwortlich für die Reichweite, er ist es, der hohe Kosten verursacht, wenn ein Defekt vorliegt, er sorgt dafür, dass sich das E-Auto oder der Plug-in Hybrid lokal emissionsfrei fortbewegen kann. Neben diesen Alltagssorgen fragen sich viele auch, ob Akkuherstellung und -recycling zum Gesamtkonzept des nachhaltigen Fahrens passen. Wir haben Antworten!

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Als Herzstück des Elektroautos gebührt dem Akku besondere Aufmerksamkeit. Einige Punkte sollten im Blick behalten, und in die Entscheidung über einen E-Auto Kauf mit einbezogen werden.

Inhaltsübersicht
Was ist ein Lithium-Ionen Akku?
Wie funktioniert ein E-Auto Akku?
Vor- und Nachteile des Lithium-Ionen Akkus
Alternativen zum Lithium-Ionen Akku
Haltbarkeit und Pflege des E-Auto Akkus
Ökobilanz: Das Recycling des E-Auto Akkus

Was ist ein Lithium-Ionen Akku?

Auch wenn man kein Elektroauto fährt, hat jeder sicher ein Gerät mit Lithium-Ionen Akku zuhause. Seit Mitte der 1980er Jahre ist der Akku nicht mehr wegzudenken und mittlerweile in Smartphones, Laptops und anderen täglich genutzten Gegenständen verbaut. Auch das E-Auto setzt auf diesen Akku, denn eine bessere Lösung als den Lithium-Ionen Akku gibt es aktuell nicht. Er schafft es mit wenig Masse eine hohe Leistung zu erbringen, deshalb ist dieser Akku der am weltweit meist verbreitete.

Der Lithium-Ionen Akku kann pro Kilogramm Batterie die meiste Energie speichern, das hängt allerdings stark vom Kathodenmaterial ab, also von dem Material, dass zur Energieproduktion und -speicherung nötig ist. Dieses Material besteht meistens aus Metalloxiden wie einer Lithium-Nickel-Mangan-Cobald-Verbindung oder auch kobaltfreien Metallphosphaten wie Lithium-Eisen-Phosphat.

Wie funktioniert ein E-Auto Akku?

Die Funktionsweise eines E-Auto Akkus ist sehr technisch und wird mit Faktoren aus der Chemie erklärt. Die Lithium-Ionen in einem Akku sind sehr klein und können sich bewegen. Am Minuspol, der Anode, herrschen andere chemische Bedingungen als am Pluspol, der Kathode. Wenn man mit dem E-Auto fährt und sich der Akku entlädt, wandern die Ionen von der Anode zur Kathode, wobei Energie freigesetzt wird. In der Mitte befindet sich außerdem ein sogenannter Separator, dass ist ein Material, das nur Ionen leitet und keine Elektronen, was Kurzschlüsse verhindert. Die Ionen müssen sich von der Anode zur Kathode und zurück bewegen können, was in einem Elektrolyt möglich ist. Das ist eine Flüssigkeit, die den Transport der Ionen von links nach rechts ermöglicht, eine Ionenstraße sozusagen.

Eine Zelle eines Lithium-Ionen Akku ist hermetisch verschlossen, damit eine Wechselwirkung zwischen Luftsauerstoff und Wasser verhindert werden kann. Mehrere Zellen ergeben am Ende miteinander verbunden Module und mehrere Module wiederum können zu einem Batteriepack zusammengefasst werden. Die Einsatztemperatur dieses Batteriepacks liegt zwischen ca. -20° und + 60° Celsius. Ein Kühlmittel hilft dabei, dass der genannte Temperaturbereich eingehalten wird.

Vor- und Nachteile des Lithium-Ionen Akkus?

Wenn man an die Produktion eines Akkus denkt, kommen einem sofort die Begriffe “Arbeitsbedingungen” und “seltene Erden” in den Kopf. Es stimmt, dass die Rohstoffe, aus denen ein Akku hergestellt wird, endlich sind. Auch der Abbau dieser Rohstoffe ist nicht gerade umweltfreundlich. Wer also ein Elektroauto fährt, kann beim Fahren mit Ökostrom lediglich lokal emissionsfrei unterwegs sein, denn die Herstellung des Autos hat sehr wohl Schadstoffe erzeugt.

Ein weiterer Nachteil ist die Brandgefahr, die bei einigen Elektroauto-Interessenten immer wieder ein Thema ist. Statistisch gesehen brennen Elektroautos zwar auch nicht häufiger als ein Verbrennerfahrzeug, kommt es aber zu einem Kurzschluss bei einem E-Auto, kann der Brand des Akkus schwere Folgen haben.

Allerdings gibt es auch eine Menge Vorteile, die ein Lithium-Ionen Akku bringt. Dazu gehören die stetige Verbesserung und somit die Erhöhung der Reichweite durch die Forschung. Mit einer hohen Reichweite sind Elektroautos eine wirkliche Alternative und alltagstauglich geworden. Die Lebensdauer eines Lithium-Ionen Akkus ist ebenfalls recht hoch, 100.000 Kilometer oder bis zu zehn Jahren sind möglich. Das ist allerdings stark abhängig von der Pflege des Akkus.

Alternativen zum Lithium-Ionen Akku

Aktuell gibt es keine Alternativen zum Lithium-Ionen Akku, die sich großflächig einsetzen lassen würden. Allerdings sind eine Menge Technologien in der Entwicklung:

  • Die Brennstoffzelle: Sie ist ein oft diskutierter Konkurrent, doch die Technologien sind noch stark in der Entwicklung und eine Brennstoffzelle benötigt mehr Platz als ein Lithium-Ionen Akku.
  • Der Lithium-Polymer-Akku: Dieser Akku basiert auf Feststoffen und kann sehr dünn gebaut werden. Weil es eben keine Flüssigkeit gibt, ist er nicht brennbar und es besteht keine Explosionsgefahr. Diese Technologie ist diejenige, die für den Betrieb eines Elektroautos am vielversprechendsten klingt. Deshalb setzen sich Hersteller wie Ford und Toyota schon seit einiger Zeit stark für die Weiterentwicklung der Feststoffakkus ein.
  • Der Lithium-Luft-Akku: Er wird mit Sauerstoff und Kohlenstoff und Alkohol als Elektrolyt betrieben. Der Nachteil ist allerdings, dass er nicht besonders lange hält, was sehr schade ist, denn er könnte im Vergleich zum Lithium-Ionen Akku zehn- bis zwanzigmal so viel Energie speichern.
  • Der Metall-Luft-Akku: Die Energie wird bei diesen Akkus durch eine Reaktion zwischen einem Metall und Sauerstoff freigesetzt. Der Sauerstoff wird aus der Umgebung gewonnen und muss nicht in der Batterie selbst vorhanden sein, was höhere Energiedichten möglich macht. Magnesium und Kalium sind mögliche Metallkandidaten, die sich hier eignen könnten. Aktuell sind diese Akkus aber noch nicht langlebig genug, um eingesetzt zu werden.
  • Der Lithium-Schwefel-Akku: Hier besteht die Anode wie üblich aus Lithium, die Kathode allerdings aus einem Schwefel-Kohlenstoff-Gemisch. Die erwarteten Reichweiten wären um ein vielfaches höher als beim Lithium-Ionen Akku, allerdings besteht auch hier das Problem mit der niedrigen Lebensdauer. Der Grund dafür sind Schwefelatome, die in den Elektrolyten unkontrolliert wandern und diese damit auf Dauer funktionsuntüchtig machen. Allerdings ist den Forschern hier ein Durchbruch gelungen – eventuell sehen wir in Zukunft E-Autos mit dieser Akkutechnologie.

Haltbarkeit und Pflege des E-Auto Akkus

Kurz zusammengefasst sollten Sie auf folgende Punkte achten:

  • Tiefenentladung und Vollladung vermeiden
  • Akku im Winter so gut wie möglich vor Kälte schützen
  • Im Sommer übermäßige Hitzeeinstrahlung vermeiden

Wie lange ein Lithium-Ionen Akku in einem Elektroauto hält, ist stark von der Pflege abhängig. Zwischen fünf und maximal zehn Jahren sind Akkus verwendbar, wobei mit der Zeit immer ein gewisser Teil Kapazität verloren geht. Das Aufladen ist mehrere hundertmal möglich, wobei auf das richtige Ladefenster geachtet werden sollte. Lädt man seinen Akku, wenn er weniger als 10 Prozent anzeigt, ist er bereits zu stark entladen. Andersherum sollte man einen Akku, der noch 90 Prozent Energie liefern kann, ebenfalls noch nicht anschließen. Also sowohl eine Tiefenentladung als auch eine komplette Vollladung schaden dem Akku.

Bei winterlichen Temperaturen sinkt die Reichweite des Elektroautos. Das geschieht deshalb, weil die chemischen Prozesse innerhalb des Lithium-Ionen Akkus nur noch langsam vonstatten gehen können. Liegt die Außentemperatur bei unter -25° Celsius, können die im Akku vorhandenen Elektrolyten gefrieren, was dem Akku erheblich schaden kann. Auch die Temperatur während des Ladevorgangs sollte beachtet werden, denn wenn Temperaturen von unter 0° Celsius herrschen, kann das zu einer vorzeitigen Alterung des Akkus führen.

Im Gegensatz zu Kälte bewirkt Hitze, dass sich die Elektrolyten im Akku zersetzen können. Das führt dann zu einer Schicht auf der Anode, der Akku funktioniert also nicht mehr richtig. Außerdem erhöht sich ab Temperaturen von über 35° Celsius die Ladedauer, weil die Ladeleistung durch die Hitze geringer ausfällt.

Ökobilanz: Das Recycling des E-Auto Akkus

Das Thema Recycling ist in letzter Zeit stärker in den Vordergrund gerückt, was eine sehr positive Entwicklung darstellt – denn es zeigt, dass es bei allen Bereichen eines Akkulebens noch erheblichen Verbesserungsbedarf gibt. Ein Lithium-Ionen Akku besteht zum Teil aus sehr giftigen Stoffen, die zu einem aufwendigen und teuren Recycling führen. Das Lithium wird für die Akkuproduktion weiterhin benötigt, Kobalt, Nickel, Aluminium und Kupfer ebenfalls. Um diese Stoffe aus dem Akku zu lösen und sie wieder verwenden zu können, sind komplexe Recycling-Systeme notwendig.

Vor allem die Kobalt-Gewinnung ist bisher noch sehr schwierig, die Akkuentwicklung geht aber schon kobaltfreie Wege, solche Technologien werden wohl in Zukunft vermehrt auf den Markt kommen.

Insgesamt muss sich im Bereich Recycling noch einiges tun, denn die Wiedergewinnung ist teuer, oft lohnt sich recyceln nicht, was ein Beispiel verdeutlicht: In einem 50 kWh Lithium-Ionen Akku sind  5,5 Kilogramm Lithium enthalten, was einen Marktwert von ca. 250 Euro hat. Die Materialrückgewinnung lohnt sich in diesem Fall nicht, denn sie ist viel teurer. Noch ist Recycling also trotz steigender Rohstoffpreise nicht rentabel, das wird sich aber in den nächsten Jahren ändern, wenn die Nachfrage weiter steigen sollte.

Akkus im Second Life

Nur, weil ein Akku für den Einsatz in einem E-Auto nicht mehr genügend Kapazität bringt, heißt es nicht, dass er wertlos geworden ist. Akkus mit einer Kapazität unter 70 Prozent werden für Elektroautos nicht mehr verwendet, auch die Garantie der Hersteller ist dann nicht mehr gültig. Doch als Speichermedium sind sie eine tolle Lösung und können ein zweites Leben im stationären Betrieb erhalten. Hier wird der Akku deutlich weniger beansprucht und kann bei gleichmäßiger und schonender Ladung durchaus noch weitere 10 bis 12 Jahre in Betrieb bleiben.

Wie viel Energie ein aussortierter E-Auto Akku noch bringt, kann man daran sehen, dass bereits ein einziger Akku ausreicht, um mit ca. 20 kWh Kapazität so viel Energie speichern zu können, um einen privaten Haushalt inklusive Puffer zu versorgen.