Wie geht das?

E-Auto-Batterien: So ist das mit Lithium und Ionen

27.01.2020 04:00

Die Traktionsbatterie ist so etwas wie der Tank eines Elektroautos. Nur deutlich komplexer und vor allem teurer als der Energiespeicher eines Benziners oder Diesels. Wir erklären Aufbau und Funktionsweise.

Die Batterie eines E-Autos darf man sich nicht als ein einheitliches Bauteil vorstellen, so wie es die Batterien in der Küchenuhr sind. Vielmehr besteht der Akku aus zahlreichen Batteriemodulen, die wiederum aus mehreren Batteriezellen bestehen. In ihnen spielt sich der chemische Mechanismus ab, bei dem der für den Antrieb nutzbare Strom entsteht.

Strom ist letztlich nichts anderes als wandernde Elektronen - negativ geladene Teilchen aus einem Atom. Im heute gängigen Lithium-Ionen-Akku handelt es sich dabei um das Lithium-Atom, das sich in der Elektrolyt-Flüssigkeit im Inneren des Akkus befindet. Lithium hat eine für die Batterie entscheidende chemische Eigenschaft: Es ist sehr willig, seine Elektronen in den Stromfluss abzugeben und hat sich daher als Grundbaustein von Akkus durchgesetzt. Gibt das Atom nun ein negativ geladenes Elektron ab, wird es zum positiv geladenen „Ion“, womit dann auch der zweite Namensbaustein geklärt wäre.

(Bild: Volkswagen)

Je mehr Lithium in der Zelle ist, desto höher ist grob gesagt ihre Kapazität. Das bloße Vorhandensein der Teilchen reicht allerdings nicht: Sie müssen auch möglichst leicht an den beiden Polen der Batterie - den Elektroden - andocken können, wo sie Elektronen abgeben oder aufnehmen. Die Batterieforschung konzentriert sich daher aktuell nicht zuletzt darauf, neue Elektrodenmaterialien zu finden, die für das Lithium attraktiver sind als die aktuell genutzten. Dabei ist nicht nur auf genug Andockplätze zu achten, sondern auch auf zahlreiche andere Aspekte, von denen beispielsweise die Lebensdauer des Akkus abhängt. Denn das ständige Anlagern und Abspalten des Lithiums sorgt dort für mehr oder weniger starken Verschleiß.

Die Ionen-Wanderungen laufen bei jeder Entladung und Aufladung in jeder einzelnen Zelle ab. Davon, wie und in welcher Zahl diese Zellen zu Modulen und dann zu einem Batteriesystem zusammengefügt werden, hängen am Ende Leistung, Kapazität und Gewicht des Akkus ab. Große Hersteller wie VW konzipieren ihre Systeme daher als Baukasten, sodass sich Batterien für verschiedene Anwendungen konstruieren lassen - vom Kleinstwagen für die Stadt bis zum Langstrecken-SUV mit Performance-Motor.

Platziert wird das komplette Batteriesystem in der Regel im Fahrzeugboden, wo es von einem massiven Crash-Rahmen vor Beschädigungen geschützt wird. Diese würden nicht nur die Leistungsfähigkeit einschränken, sondern könnten im Extremfall zu einem schweren Fahrzeugbrand führen. Aktuelle E-Autos lassen sich daher oft an den mächtigen Schwellern und einer ungewöhnlichen Höhe erkennen. Einer der Gründe, warum die Hersteller gerne SUVs anbieten, bei denen diese leicht verschobenen Proportionen nicht auffallen bzw. wo einfach genug Platz vorhanden ist.

In das Akkugehäuse wird zudem ein Klimatisierungs-System integriert, das für ideale Arbeitstemperaturen und damit für Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit des Energiespeichers sorgt. Bei kleineren Batterien wird oft aus Kostengründen nur eine Luftkühlung benutzt, große Batterien für Fahrzeuge mit hoher Reichweite oder Leistung benötigen in der Regel eine Flüssigkeitskühlung. Auch um während langer Touren dauerhaft hohe Ladeleistungen an Schnellladern abzurufen ist, diese unverzichtbar.

Weitere wichtige Komponenten mit Akkubezug ist die sogenannte Leistungselektronik. Sie ist das Gehirn des E-Antriebs und regelt die Leistung des Motors. Zu ihren Aufgaben zählt auch das Wandeln des aus dem Akku fließenden Gleichstroms in Wechselstrom, der von der E-Maschine genutzt werden kann.