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State-of-the-Art: Die Lithium-Ionen-Batterie

Erstellt am: 05.12.2019 | Stand des Wissens: 13.04.2022
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist aktuell der Maßstab für alle Batteriesysteme in der Elektromobilität. Sie besitzt Eigenschaften, die in dieser Kombination für das geforderte Technikfeld in anderen Batteriesystemen nicht vorhanden ist. Im Folgenden werden die positiven sowie negativen Merkmale der Lithium-Ionen-Batterie erläutert.
Die für die Elektromobilität verwendete Lithium-Ionen-Zellstruktur weist keinen Memory-Effekt auf. Das Nachladen der Batterie kann somit aus jedem möglichen Ladezustand erfolgen, ohne dass die mögliche Leistungsfähigkeit iterativ abgebaut wird. Dadurch können Nachladevorgänge jederzeit getätigt werden, da hierbei die Kapazität keine qualitativen Verluste erfährt, vgl. [Karl17, S. 91]. Außerdem ist das Batteriesystem geprägt durch eine geringe Selbstentladung. Die praktische Selbstentladung hängt zwar stark von der Umgebungstemperatur und der Bauform der Batteriezellen ab. Dennoch weist die Lithium-Ionen-Batterie unter allen Batteriesystemen die geringste Selbstentladung auf. Bei einer Umgebungstemperatur von 20 Grad Celsius verliert die Batterie monatlich weniger als zwei Prozent ihrer gesamten Ladung, vgl. [KLiB21]. Dadurch kann die Batterie z.B. im städtischen Verkehr effizient genutzt werden, denn entsprechende Nachladevorgänge sind nahezu verlustfrei möglich. Weiterhin ist die Batterie durch einen geringen Innenwiderstand gekennzeichnet. Durch diese Eigenschaft wird es möglich, dass hohe Wirkungsgrade von bis zu 90 Prozent erreicht werden können, vgl. [Karl17, S. 80].
Die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie beträgt bei einer Hochenergiezelle bei etwa 800 Lade- und Entlade-Zyklen und beträgt 10-15 Jahre bei einer täglichen sowie mehrstündigen Nutzung, vgl. [AKK18]. Die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie wird zwar von Alkali-Batterien sowie der Redox-Flow-Batterie übertroffen. Die vergleichsweise geringe Lebensdauer der Batterie wird aber durch andere Eigenschaften ausgeglichen, die der Batterie eine hohe Attraktivität auf dem Markt verleihen. Die sehr hohe Zellspannung einer Lithium-Ionen-Zelle von 3,6-3,7 Volt ist ein Wert, den keine andere Batteriezelle erreicht, vgl. [NeEu09, S. 4].
Außerdem ist die hohe Energiedichte mit bis zu 300 Wattstunden pro Kilogramm beziehungsweise 700 Wattstunden pro Liter einer der Hauptgründe, weshalb die Lithium-Ionen-Batterie für die Elektromobilität besonders geeignet ist. VW prognostiziert, dass diese Werte bis zum Jahr 2030 auf bis zu 350 Wattstunden pro Kilogramm und 1000 Wattstunden pro Liter steigen werden [VWAG18]. Durch diese Energiedichte verfügt das Elektrofahrzeug über eine hohe Leistungsstärke und kann mit dem klassischen Verbrennungsmotor konkurrieren. Insgesamt charakterisiert das Batteriesystem positive Aspekte wie Energie, Langlebigkeit, eine geringe Selbstentladung; es existieren verschiedene Varianten für unterschiedliche Einsatzzwecke, vgl. [KuDi18, S. 174]. Die Energiedichten variieren dabei stark in Abhängigkeit von der Lithium-Ionen-Technologie: Sie liegen zwischen 70 Wattstunden pro Kilogramm (Lithium-Titan-Oxide) und 300 Wattstunden pro Kilogramm (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide) [DBT20].
Gegenstand der aktuellen Forschungen ist die Frage nach einer Optimierung des Batteriesystems, mit dem Ziel, eine reibungslose, sichere und effektive Nutzung zu erreichen. Der größte Nachteil von Lithium ist seine Entzündlichkeit. Das Lithium kann sich bereits bei einem leichten Kontakt mit Wasser entzünden und einen Brand verursachen. Um dieser Gefährdung entgegenzuwirken, versucht man stetig die Sicherheit und das Batteriemanagementsystem zu verbessern, damit ein Kontakt mit Wasser in allen Fällen verhindert wird, vgl. [NeEu09, S. 46].
Auch die Vorkommen des Rohstoffes sind begrenzt. Eine rasant wachsende Produktionsanzahl an Elektrofahrzeugen, setzt einen ansteigenden Ressourcenbedarf voraus, wodurch Gebiete mit Lithiumvorkommen eine enorme Belastung erfahren würden, vgl. [Maeh16]. Neben den werkstoffbedingten Nachteilen zeigt die Batterie auch einige funktionsbedingte Schwachstellen auf. Um eine optimale Leistung gewährleisten zu können, muss die Umgebungstemperatur zwischen 18 Grad Celsius und 25 Grad Celsius liegen. Dieser Aspekt kann nicht in allen Regionen realisiert werden. Hier benötigt das Batteriesystem eine externe Klimatisierung und damit in Zusammenhang stehend, einen erhöhten Energiebedarf zum Betrieb, vgl. [Karl17, S. 80]. Weiterhin dürfen bei einer Lithium-Ionen-Batterie keine deep-discharge-Vorgänge vorgenommen werden, da infolgedessen die Akkuleistung abnimmt und bis zur Zerstörung des Akkus führen kann. Die Lade und Entladevorgänge der Batterie müssen stets über elektronische Systeme gesteuert werden, die bei Bedarf Wartungsvorgänge starten, vgl. [Karl17, S. 81]. Das Lithium-Ionen-Batteriesystem weist also einige zu verbessernde Aspekte auf, durch deren Veränderung die Konkurrenzfähigkeit und der Nutzungsgrad optimiert werden können. Das allgemeine Ziel sollte dabei eine verbesserte Systemgestaltung mit einem effektiven Batteriemanagement sein, die eine signifikante Steigerung der Lebensdauer und der Leistung der Batterie bewirken können.
 
 
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Batterieforschung im Kontext der Elektromobilität (Stand des Wissens: 13.04.2022)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?506185
Literatur
[AKK18] AKKU-abc (Hrsg.) Akkuvergleich und Energiedichte verschiedener Akkutypen, 2018
[DBT20] Deutscher Bundestag (Hrsg.) Energiespeicher der Elektromobilität
Entwicklung der Energiedichten, 2020/12/17
[Karl17] Karle, Anton Elektromobilität - Grundlagen und Praxis, 2017
[KLiB21] Selbstentladung, 2021
[KuDi18] Kurzweil, Peter, Dietlmeier, Otto K. Elektrochemische Speicher - Superkondensatoren, Batterien, Elektrolyse-Wasserstoff, Rechtliche Rahmenbedingungen, 2018
[Maeh16] Mähler, Christoph Batterien in Elektroautos: Aktueller Stand und Perspektiven, 2016/08/12
[NeEu09] Neupert, U., Euting, T., Kretschmer, T., Notthoff, C., Ruhlig, K., Weimer, B. Energiespeicher. Technische Grundlagen und energiewirtschaftliches Potenzial, 2009
[VWAG18] Volkswagen AG (Hrsg.) Leistungsstark und skalierbar, 2018/10/08
Glossar
Elektromobilität
Die Elektrifizierung der Antriebe durch Batterie- und Brennstoffzellentechnologien. Im Kontext des "Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität" wird der Begriff auf den Straßenverkehr begrenzt. Hierbei handelt es sich insbesondere um Personenkraftwagen (Pkw) und leichte Nutzfahrzeuge, ebenso werden aber auch Zweiräder (Elektroroller, Elektrofahrräder) und Leichtfahrzeuge einbezogen.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?506085

Gedruckt am Montag, 4. Juli 2022 13:25:25