Früher interessierten wir uns für Zylinderzahl und Hubraum eines Verbrenners. Doch beim Elektroauto spielt der E-Motor nur noch die zweite Geige. Er sorgt zwar für den Antrieb, doch ohne Batterie ist er nutzlos. Blick klärt die wichtigsten Fragen zum Stromspeicher von Aufbau bis Entsorgung.
Wie ist eine Elektroauto-Batterie aufgebaut?
Meist vermischen wir die Begriffe Batterie und Akku: Technisch ist ein Akkumulator, wie es vollständig heisst, ein wiederaufladbares chemisches Stromspeicherelement – eine sogenannte Zelle. Beim VW-Stromer ID.3 ergeben beispielsweise 24 solcher Zellen ein Akku-Modul, bis zu zwölf Module ergeben im Paket die Batterie. Entscheidend ist die Zahl an Akku-Zellen in der Batterie. Sie bestimmt die Kapazität und damit die Reichweite. Die Zellen werden heute noch bei Zulieferern wie LG oder Samsung gekauft; die Batteriepakete entwickeln die Hersteller daraus selbst. Zum Beispiel Mercedes und VW planen eigene Zellfabriken – das soll die Kosten senken.
Wie speichert die Batterie Strom?
Kurz erklärt: Eine Zelle besteht aus zwei Elektroden, die von einem leitenden Medium, dem Elektrolyt, umgeben sind. Dies ist heute noch meist flüssig, kann aber auch ein Gel oder ein Feststoff sein. Zwischen den beiden Elektroden – Anode und Kathode – fliesst der Strom. Elektroden und Elektrolyt enthalten Lithium-Atome, die ihre Elektronen abgeben, wenn der E-Motor Energie fordert – Strom fliesst. Weil dann die negativ geladenen Elektronen weg sind, wird das Atom zum positiv geladenen Ion. Wird die Batterie an der Steckdose eingestöpselt, ziehen diese Ionen wieder neue Elektronen an und werden zu neutral geladenen Atomen – die Batterie wird gefüllt.
Wie hoch ist die Spannung?
Je höher die Spannung, desto mehr Energie kann übertragen werden. Bei den meisten Stromern liegen rund 400 Volt an, der Porsche Taycan arbeitet gar mit 800 Volt, annähernd das 3,5-Fache der Haushaltsspannung von 230 Volt. Die Leistungselektronik ist das Gehirn des Elektroautos: Sie regelt die Antriebsleistung und wandelt den Gleichstrom aus dem Akku in Wechselstrom für den E-Motor um.
Wo sitzt die Batterie im Elektroauto?
Die Zellmodule stecken in einem gemeinsamen massiven Gehäuse, das die Module schützt. Bei nahezu allen heutigen Elektroautos befindet sich die Batterie im Unterboden. Verbunden werden alle Bauteile durch orange Hochvolt-Kabel.
Was wiegt eine E-Auto-Batterie?
Meist zwischen etwa 300 und 750 Kilogramm. Etwas leichter ist der Akku des Kleinstwagens VW e-Up mit 248 kg. Beim Tesla Model 3 sind es 478 Kilogramm; der Porsche Taycan Turbo schleppt 630 Kilogramm Akku herum. Wichtige Akku-Daten sind die Energiedichte (Wattstunden pro Kilogramm, Wh/kg), also die gespeicherte Energie pro Kilogramm und die Leistungsdichte (Watt pro Kilogramm, W/kg), also die Leistungsabgabe pro Kilogramm). Moderne Lithium-Ionen-Batterien in Stromern kommen auf eine Energiedichte von maximal 140 Wh/kg. Da ein typisches Elektroauto auf 100 Kilometern etwa 20'000 Wh verbraucht, muss es dafür also rund 150 Kilogramm Akkus mitführen.
Was ist die Kapazität?
Die Kapazität gibt an, wie viel Energie eine Batterie über eine gewisse Zeit abgeben kann. Sie bestimmt die Reichweite eines Elektroautos. Der Akku des Porsche Taycan Turbo kann beispielsweise 93,4 Kilowatt während einer Stunde (Kilowattstunden, kWh) abgeben. Oder 31,13 innert drei Stunden. Theoretisch käme so der Taycan bei 25,6 kWh je 100 Kilometer Werksverbrauch auf eine Reichweite von rund 365 Kilometer. Aber einerseits nutzen wir nicht immer die volle Leistung und andererseits gewinnen Elektroautos beim Bremsen Energie zurück – deshalb gibt Porsche bis zu 450 Kilometer an. Mit dem Alter nimmt die Kapazität ab und die Reichweite wird geringer.
Wie werden E-Auto-Batterien hergestellt?
Elektroauto-Batterien bestehen aus Lithium, Nickel, Kobalt, Graphit und Mangan. Weil sie in manchen Ländern unter unwürdigen Arbeitsbedingungen und mit grossen Umweltschäden gefördert werden, wird zunehmend in Australien gefördertes Lithium und Kobalt verwendet. Ausserdem wird längst an alternativen Materialien für die Zellen geforscht. Und die legendären seltenen Erden? Stecken eben nicht, wie oft vermutet, in Riesenmengen in der Batterie, sondern in den Magneten des Elektromotors.
Eine 50-kWh-Batterie enthält etwa die folgenden Mengen an Rohstoffen.
- 6 kg Lithium
- 10 kg Mangan
- 11 kg Kobalt
- 32 kg Nickel
- zwischen 50 und 100 kg Graphit
Was kostet die Batterie eines E-Autos?
Trotz sinkender Kosten ist die Batterie das teuerste am E-Auto. Die Hersteller gehen davon aus, dass Elektroautos preislich mit Verbrennerautos gleichziehen können, sobald die Akku-Preise auf 100 Dollar pro Kilowattstunde Kapazität sinken. Über Preise sprechen die Hersteller ungern: Vor einigen Jahren wurde sicher die 200-Dollar-Marke unterschritten; derzeit dürfte die Kilowattstunde zwischen 145 und 160 US-Dollar kosten.
Welche Lebensdauer hat eine E-Auto-Batterie?
Etwa acht bis zehn Jahre. Das hängt vor allem von der Zahl der Ladezyklen und der Häufigkeit von Schnellladungen ab, was Batterien flotter altern lässt. Moderne Lithium-Ionen-Akkus verkraften bis zu 3000 Ladezyklen. So knackte ein Tesla Model S die Eine-Million-Kilometer-Grenze mit nur drei Akkus. Mehr noch: Tesla arbeitet sogar an einer Super-Batterie für eine Lebensdauer von einer Million Meilen (1,6 Mio. Kilometer) und zwei Jahrzehnten. Im Laufe der Zeit sinkt die Kapazität auf 70 bis 80 Prozent des Ursprungswerts, abhängig von Ladeart, Zahl der Ladezyklen oder auch dem Fahrstil.
Was sollte man beim Laden beachten?
Generell gilt: Ein Ladestand von 20 bis 80 Prozent ist am günstigsten für eine Batterie; mehr oder weniger reduziert wegen zu hoher oder zu niedriger Spannung in den Zellen die Lebensdauer. Etwa 10 Prozent des geladenen Stroms gehen als Wärme ab. Wichtig beim Laden: Nur bis 80 Prozent Füllung wird mit voller Ladeleistung geladen. Danach wird runtergeregelt, um die sich erwärmenden Zellen zu schonen – die Ladezeit verlängert sich deutlich.
Wie werden alte E-Auto-Batterien entsorgt?
Die meisten landen nach ihrem Einsatz in Elektroautos im sogenannten «zweiten Leben»: Sie dienen als stationärer Speicher für Privathaushalte, als Notstromspeicher in Spitälern oder speichern Windstrom zwischen, bis er gebraucht wird. Dieses «zweite Leben» kann durchaus zehn Jahre dauern.
Danach werden die Batterien recycelt. Derzeit werden noch vor allem Alu, Stahl und Kunststoffe zurückgewonnen. Das Recyceln der weitaus wichtigeren Rohstoffe im Akku ist derzeit noch sehr teuer. Im Visier haben Forscher vor allem Lithium und Kobalt, aber auch Graphit. Die Denkfabrik «Agora Energiewende» geht davon aus, dass bis 2030 rund zehn Prozent des Rohstoffbedarfs von Batterien durch Recycling gedeckt wird.
Wie sieht die Zukunft aus?
Feststoff-Akkus gelten als nächster grosser Schritt, um die Reichweitenangst zu besiegen. Vom flüssigen Elektrolyt wird dabei auf feste Stoffe umgestellt. Die Vorteile sind höhere Energiedichte, weniger Komplexität, weniger Platzbedarf und günstigere Herstellung. Bis zur Massenproduktion dürfte es noch mehrere Jahre dauern.
Bis dahin entwickeln die Hersteller die Lithium-Ionen-Batterie weiter. Der nächste Schritt dürften kobaltfreie Batterien sein. Daran arbeiten unter anderem der chinesische Autobauer Great Wall und General Motors.