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Anwendungsgebiete von Lithium-Ionen-Batterien (Hybrid vs. BEV)

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

Das Anforderungsprofil an Batteriezellen für Hybridfahrzeugen unterscheidet sich maßgeblich von dem Anforderungsprofil für rein elektrisch betriebene Fahrzeuge. Für die Elektromobilität werden also zwei verschiedene Arten von Zellen benötigt: die Hochleistungszelle für Hybridfahrzeuge und die Hochenergiezelle für rein batterielektrisch betriebene Kfz (BEV).
Für das elektrische Anfahren und Beschleunigen mit Hybridfahrzeugen ist eine sehr hohe spezifische Leistung der Batterie notwendig. Zudem muss die Batterie in der Lage sein, gewonnene Bremsenergie in nur wenigen Sekunden zu speichern und gegebenenfalls in neue Antriebsenergie zu wandeln. Dieses Anforderungsprofil erfüllt die Hochleistungszelle.
Das Gegenstück der Hochleistungszelle, die Hochenergiezelle, ist die optimale Zellstruktur für reine Elektrofahrzeuge. Da die Elektrofahrzeuge mit dauerhaft hohen Strömen betrieben werden, muss die Zelle dementsprechend dauerhaft viel Energie aufbringen können. Diese Anforderung ist mit der Hochenergiezelle realisierbar, vgl. [Hoye15, S. 26].
Energie-Leistungsverhaeltnis.pngAbbildung 1: Energie-Leistungs-Verhältnis in Abhängigkeit von der Zellstruktur. Quelle: [Fahl15, S. 221] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Allgemein kann gesagt werden, dass sich beide Zellvarianten der Lithium-Ionen-Batterie im Verhältnis zwischen spezifischer Leistung und spezifischer Energie unterschieden. Die Hochleistungszelle entnimmt die maximal mögliche spezifische Leistung auf Kosten der Energie, sie ist in Abbildung 1 blau markiert. Die Hochenergiezelle schöpft die Energie aus und dabei bringt dabei weniger Leistung hervor, wie in Abbildung 1 mit der grüne Markierung darstellt. Die Beeinflussung der Zelle erfolgt durch die Beschichtung der Zelle. Bei einer stärkeren Schicht der Elektroden wird die Energie gesteigert, weil die Verhältnisse zwischen dem Aktiv- und Passivmaterial ausgeglichen sind. Hierbei wandern die Ionen jedoch langsamer, was folglich die Leistung der Zelle mindert, vgl. [Hoye15, S. 26]. Der Prozess für eine dünne Schicht läuft dementsprechend in die entgegengesetzte Richtung. Es wird mehr Leistung erzielt, da Ionen schneller wandern können. Zur Aufrechterhaltung der Verhältnisse wird das Material für den Stromsammler verstärkt, aus der eine Senkung der spezifischen Energie innerhalb der Zelle resultiert.
Die Hochleistungszelle unterscheidet sich allerdings nicht nur durch dieses Kriterium von der Hochenergiezelle. Vielmehr ist es die Gesamtheit der zusammengesetzten Zelle, die in beiden Fällen mit unterschiedlich prozentualen Anteilen aufgebaut sind. Die folgende Abbildung 2 zeigt die materielle Zusammensetzung von einer Hochleistungszelle im Vergleich zur Hochenergiezelle auf. Für die grafische Darstellung wurde die Kathodenbeschichtung NMC gewählt und als Zellentyp die prismatische Wickelzelle angenommen. In der Abbildung werden nicht alle Größen in der Zelle dargestellt, sodass lediglich ein Vergleich zwischen den unterschiedlichen Ausführungsmöglichkeiten besteht.
Hochenergiezelle-Hochleistungszelle.pngAbbildung 2: Aufbau der Hochleistungs- und Hochenergiezelle. Quelle: [Hoye15, S. 26] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Deutlich zu erkennen ist der hohe Beschichtungsanteil der Elektroden, vor allem der Kathode innerhalb der Hochleistungszelle. Neben dieser Größe nehmen das Gehäuse und der Elektrolyt einen sehr großen Teil ein. Der Aufbau der Hochenergiezelle ist in der materiellen Einteilung gleichmäßiger aufgebaut. Die Kathodenbeschichtung besitzt dasselbe Volumen wie der Elektrolyt und das Gehäuse, dicht gefolgt von dem Stromsammler der Anode. Eine Änderung der Verhältnisse kann durch spezifischere Anforderungen an die Batterie erfolgen. Auch durch andere Materialien können die prozentualen Anteile variieren. Eine grobe Einteilung lässt sich allerdings meistens anhand der Zellstrukturen vornehmen, da die Hochenergiezelle immer eine höhere Ausgeglichenheit der eingesetzten Materialien als die Hochleistungszelle erfordert, vgl. [Hoye15, S. 26].
 
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Batterieforschung im Kontext der Elektromobilität (Stand des Wissens: 13.04.2022)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?506185
Literatur
[Fahl15] Fahlbusch, Eckhard Batterien als Energiespeicher - Beispiele, Strategien, Lösungen, 2015
[Hoye15] Hoyer, Claas Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen in Deutschland, 2015
Glossar
Hybrid
Der Ausdruck Hybrid bedeutet "etwas Gebündeltes, Gekreuztes oder Gemischtes". Es stammt ab von dem lateinischen Fremdwort griechischen Ursprunges Hybrida. In der Technik wird ein hybrides System, aus zwei unterschiedlichen Technologien miteinander kombiniert.
BEV Vollständige batteriebetriebenes Fahrzeug ohne Verbrennungsmotor.
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/?506128

Gedruckt am Freitag, 27. Mai 2022 23:26:06