Batterien immer effizienter: Reichweiten bis 600 km

Viel Energie auf wenig Raum: Das Bild zeigt das Volkswagen Showcar I.D. mit einer völlig neuen Elektrofahrzeug-Plattform. (Foto: Volkswagen AG)
Viel Energie auf wenig Raum: Das Bild zeigt das Volkswagen Showcar I.D. mit einer völlig neuen Elektrofahrzeug-Plattform. (Foto: Volkswagen AG)
18.09.2017

Die Automobilhersteller überschlagen sich derzeit mit Ankündigungen zu neuen E-Autos. Insbesondere die Batterie-Technik macht massive Fortschritte: Reichweiten von 300 bis 600 km sind bereits Stand der Technik. Die Energiedichte hat sich deutlich verbessert – auf nunmehr 4 kg/kWh. Der Ausbau der globalen Batterie-Kapazitäten treibt den Wandel voran – auch in Europa entstehen immer mehr Batterie-Fabriken.

Das Zeitalter der Elektromobilität hat definitiv begonnen. Fast alle Automobilhersteller haben neue E-Autos angekündigt. Daimler bringt unter der Produktmarke „EQ“ ab 2019 völlig eigenständige  und neue E-Autos auf den Markt. BMW will zu den aktuellen Modellen BMW i3 und BMW i8 das bestehende Produktportfolio als Elektrovariante anbieten. Und Volkswagen hat bereits fünf neue Elektro-Autos innerhalb der nächsten fünf Jahre in Aussicht gestellt. Porsche, Audi und Skoda bringen ebenfalls E-Autos auf den Markt. „Den Anteil der E-Autos beziffern wir bis zum Jahr 2025 mit etwa 25 %. Darauf bereiten wir uns mit vollkommen neuen E-Konzepten vor“, erläutert Peter Weisheit, Sprecher Kommunikation Technologie der Volkswagen AG. Durch die deutlich niedrigeren Betriebskosten fällt der Vergleich bereits heute zu Gunsten des E-Autos aus. In der Autobild-Ausgabe vom 16. Juni 2017 wurde ein e-Golf mit 136 PS und einem 35,8 kWh großen Akku mit einen 150 PS starken Golf verglichen. Bei einer jährlichen Kilometerleistung von 15.000 km und einer Haltedauer von 4 Jahren schneidet der e-Golf wirtschaftlich besser ab. Der e-Golf kostet 40 Ct/km, die Benzin-Variante benötigt mit 43 Ct/km etwas mehr. Lädt man den e-Golf mit Solarstrom, dann betragen die Kosten nur 38 Ct/km.

Rund-, Flach- oder prismatische Zellen

Technologisch lassen sich die Zellen von Aufbau und vom Kathodenmaterial unterscheiden. Je nach Aufbau und „Verpackung“ werden Rundzellen, Flachzellen („Pouch“-Zellen) und prismatische Zellen unterschieden. Der Pluspol besteht dabei aus Aluminium und der Minuspol aus Kupfer. Das Anodenmaterial besteht meistens aus Graphit und das Kathodenmaterial aus einer Lithium-Verbindung. Diese Lithium-Verbindung beinhaltet entweder Nickel, Mangan und Kobalt (NMC) oder Nickel, Mangan und Aluminium (NCA). Nur bei den E-Autos von BYD dominiert Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial.

Eine relevante Zellenproduktion hat sich aus wirtschaftlichen Gründen in Deutschland bislang nicht etablieren können. Der letzte relevante Zellenhersteller – die EAS Germany GmbH aus Thüringen – ist Mitte 2017 in die Insolvenz geschlittert. Die wichtigsten Batterie-Hersteller kommen aus Asien. Zu den Marktführern zählen derzeit Panasonic, BYD, LG Chem, AESC und Samsung SDI. In den Modellen von Tesla und Daimler werden bislang Rundzellen von Panasonic - derzeit im Format 18650 - verbaut. Wobei Mercedes angekündigt hat, zukünftig keine Rundzellen mehr zu verbauen. Die neuen EQ-Modelle sollen über ein Batterie-Paket mit Flachzellen von SK Innovation verfügen. Im Smart fortwo electric befinden sich Flachzellen von LG Chem. Flachzellen treiben auch den Hyundai Ioniq und den Renault Zoe (LG Chem), den KIA Soul (SK Innovation) und den Nissan Leaf (AESC) an. Prismatische Zellen von Samsung SDI befinden sich im e-Golf (mit 37 Ah) und im BMW i3 (mit 94 Ah bzw. 60 Ah). In den baugleichen Modellen Mitsubishi i-MIEV, Peugeot i-on und Citroen C-zero befinden sich prismatische Zellen von GS Yuasa.

Der Vorteil von Rundzellen ist, dass Sie ein bewährtes Massenprodukt sind und somit günstig in der Produktion. Nachteilig sind der höhere Aufwand bei der Kontaktierung der Zellen untereinander und dass das vorhandene Volumen im Batterie-Paket nur zu rund 50 % ausgenutzt werden kann. Flach- und prismatische Zellen nutzen das Volumen mit 75 % besser aus - das Packaging ist effizienter. Prismatische Zellen haben zudem eine stabilere Außenhülle als Flachzellen. Folglich muss das Gehäuse eines Batterie-Pakets mit Flachzellen stabiler und formfester ausgeführt werden als ein Paket aus prismatischen Zellen. Durch das dichte Packaging bei Flach- und prismatischen Zellen sind die Anforderungen an eine konstante Abfuhr der Wärme höher als bei Paketen mit Rundzellen. Ein ausgeklügeltes Thermo-Management und ein Batteriemanagementsystem (BMS) sind notwendig, damit die Sicherheit des Systems und die angegebene Reichweite gewährleistet werden.

Batterie-Technologien

Fast alle Hersteller von E-Autos nutzen Lithium-Batterien auf Basis einer NMC- oder NCA- Verbindung. Der wichtigste Vorteil ist die höhere Energiedichte. Bis zu 250 Wh können je kg gespeichert werden. Das ist deutlich mehr als bei Batterien auf Basis von Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial. Hier beträgt die Energiedichte etwa 150 Wh/kg. Bei gleicher Nennkapazität ist eine Batterie auf Basis von Lithium-Eisenphosphat schwerer als eine Lithium-Batterie auf Basis einer NMC- oder NCA-Verbindung. Was für die Lithium-Eisenphosphat-Batterie spricht ist, dass die Ressourcen (Eisenphosphat) leichter verfügbar sind als Nickel, Kobalt und Mangan. Im Heimspeicher-Markt, wo das Gewicht eine untergeordnete Rolle spielt, hat sich die Lithium-Eisenphosphat-Batterie am Markt sehr gut behaupten können. Zudem sind Lithium-Eisenphosphat-Batterien thermisch stabil – ein thermisches Durchgehen ist systembedingt nicht möglich. Im Automobil-Bereich wird sich die Lithium-Eisenphosphat-Batterie auf Grund der niedrigeren Energiedichte langfristig nicht durchsetzen können.

Vielmehr schreibt die Energiepolitik in China sowohl Quoten für die Neuzulassung von Elektro-Fahrzeugen als auch Quoten zu technologischen Standards vor. Ab kommendem Jahr muss die Energiedichte in E-Autos bereits mindestens 200 Wh/kg aufweisen. Aus technologischer Sicht zeichnet sich somit ein Trend ab: Lithium-Batterien mit einer Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid-Verbindung als Kathodenmaterial und eine Verbindung aus Graphit und Silizium als Anodenmaterial. Gleichzeitig wird daran geforscht, den bisher flüssigen Elektrolyten durch ein festes Material zu ersetzen. Somit wird die Batteriezelle thermisch stabiler und kann folglich auch kompakter produziert werden. Diese sogenannten Festkörper-Batterien („Solid-State-Batteries“) sollen bereits ab 2020 über Energiedichten von 300 bis 400 Wh/kg verfügen.

Kapazitäten der Batterie-Hersteller

Zu den Global Playern im Batterie-Markt zählen derzeit Pansonic (Japan), BYD (China), LG Chem (Südkorea), AESC (Japan) und Samsung SDI (Südkorea). Im Jahr 2016 wurden weltweit rund 20,4 GWh an Batterie-Zellen für E-Autos verkauft. Die fünf Global Player dominieren den Weltmarkt mit knapp 16 GWh – rund 75 % des Weltabsatzmarktes. Das Wachstum in diesem Markt ist äußerst dynamisch. Alle global agierenden Batterie-Hersteller haben die Errichtung neuer Batterie-Fabriken angekündigt bzw. errichten gerade neue Fabriken. Bekanntermaßen errichtet derzeit Tesla mit Panasonic eine 35 GWh große Zellen-Fabrik in Nevada (USA) bis Ende 2020. Zudem werden dort größere Rundzellen (im Format 21700) produziert. Diese größeren Zellen haben zudem eine höhere Energiedichte von etwa 320 Wh/kg.  BYD plant derzeit ein neues Werk in Qinghai, um jährlich 10 GWh Batterien produzieren zu können. Bis 2020 plant BYD, mindestens 30 GWh Batterien pro Jahr herstellen zu können, die Gesamtkapazität aller chinesischen Hersteller wird ab 2020 bei mindestens 120 GWh pro Jahr liegen. Als zukünftige Big Player in China gelten Firmen wie CATL (50 GWh), Lishen (20 GWh), Boston Power (8 GWh) und CALB (3 GWh).

Aus europäischer Sicht sind derzeit die südkoreanischen Produzenten Samsung und LG Chem die wichtigsten Player. Samsung liefert Batterien für den BMW i3 und den e-Golf. Der e-Golf verfügt derzeit über eine Batterie mit 37 Ah, ab 2018 sind 48 kWh geplant. Die Batterie im BMW i3 soll von 94 Ah auf 120 Ah erhöht werden, die Kapazität wächst auf rund 42 kWh. Die im Alltag machbare Reichweite steigt dann auf gut 300 km. Sowohl LG Chem als auch Samsung errichten in Europa eigene Batteriefabriken, um die Nachfrage der europäischen Automobilhersteller unmittelbar bedienen zu können. Im polnischen Breslau errichtet LG Chem eine Batteriefabrik mit einer Kapazität, die für 100.000 Elektroautos pro Jahr reichen soll. Die erste Batteriefabrik von Samsung SDI in Europa geht ab 2018 in Vollproduktion. Nach rund sieben Monaten Bauzeit wurde die Fabrik bereits Ende Mai 2017 im Norden von Budapest errichtet. Pro Jahr sollen in Ungarn Batterien für rund 50.000 Elektroautos für den europäischen Markt produziert werden. „Zur Zeit arbeitet Samsung intensiv an innovativen Batteriezellen für die nächste Generation mit Schnellladefähigkeit und hoher Energiedichte, um E-Autos mit einer Reichweite von 600 km zu ermöglichen“, hebt Bernhard Baumgärtner, Vice President von Samsung SDI Europe GmbH, hervor.

Günstige Perspektiven

Bereits 2020 kosten Lithium-Batterien weniger als 100 €/kWh und verfügen über eine Energiedichte von über 300 Wh/kg. Dies ist eine drastische Reduktion im Vergleich zu Beginn der 2010er Jahre  – als die Preise noch bei über 1.000 €/kWh lagen. Eine 75 kWh große Batterie hat dann bereits eine Reichweite von 500 km, ein Gewicht von 250 kg, und kostet nur mehr 7500 €. Bei einer sehr hohen Ladeleistung von 150 kW beträgt die Ladezeit etwa 20 Minuten. Auf Grund der höheren Energiedichte liegt der Fokus auf NMC-Zellen mit festen Elektrolyten („Festkörper“-Batterie) und nicht mehr auf LFP-Zellen. Flach- und prismatische Zellen werden dadurch noch leistungsfähiger und kompakter und folglich den Batterie-Markt für E-Autos weiterhin dominieren. Mit leistungsfähigeren Batterien wird sich der Automobil-Markt noch schneller wandeln. Zusätzlich beschleunigt wird dies durch die Photovoltaik. Denn bei Stromerzeugungskosten von nur mehr 7 Ct/kWh kann das E-Auto bereits für etwa 1 € je 100 km geladen werden (legt man die aktuelle EEG-Vergütung zugrunde, dann beträgt der Preis knapp zwei Euro je 100 km). Photovoltaik-Anlagen und E-Autos sind somit das perfekte Duo für eine nachhaltige und umweltfreundliche Zukunft.

Rupert Haslinger

Der Beitrag ist in SW&W 9/2017 erschienen.

 

Zusammengestellt von Rupert Haslinger
Erläuterungen: NEFZ: »Neuer Europäischer Fahrzyklus« – europäische Berechnungsmethode
EPA: »Environmental Protection Agency« – amerikanische Berechnungsmethode
Der Wert gemäß EPA spiegelt die Reichweite von E-Autos besser als gemäß NEFZ. Für den e-up! gibt es keine offizielle EPA-Angabe (Angabe: Schätzwert)

 

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