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Elektroauto Batterie: Was treibt uns in Zukunft an?
11. Januar 2022
Autoteile & Technik

Elektroauto Batterie: Was treibt uns in Zukunft an?

Batterien sind im Grunde synonym mit der Zukunft der Elektromobilität. Alltagstauglichkeit, Sicherheit und Preise von Elektroautos – all das hängt maßgeblich von diesem Bauteil ab. Es verwundert also kaum, dass die Entwicklung von E-Auto-Batterien in den vergangenen Jahren einen Riesensprung absolvierte.

Nach Angaben des Fraunhofer Instituts hat sich die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien in den vergangenen zehn Jahren auf 200 Wattstunden pro Kilogramm fast verdoppelt. Läuft alles wie geplant, könnte sich die Energiedichte nach Meinung der Experten bis 2030 nochmals fast verdoppeln. Eine höhere Energiedichte bei E-Auto-Akkus bedeutet, dass die gleiche Reichweite mit einer kleineren und somit billigeren Batterie erreicht werden kann, oder dass die Reichweite bei gleicher Batteriegröße steigt.

Herstellung: Die meisten E-Auto-Batterien kommen aus Asien

Bislang liegt die Herstellung von Elektroauto-Batterien zum großen Teil in asiatischer Hand. Der chinesische Konzern CATL ist bereits heute der größte Hersteller von E-Auto-Akkus. Laut einer Prognose des Marktforschungsunternehmens statista wird das Unternehmen auch im Jahr 2023 Platz eins belegen, gefolgt von LG Chem.

Weitere Hersteller von Antriebsbatterien sind der chinesische BYD Konzern, der zusätzlich auch eigene Autos baut, sowie Samsung SDI, Farasis und Panasonic. Um weniger abhängig von asiatischen Akku-Herstellern zu sein, hat etwa Volkswagen angekündigt, bis 2030 sechs neue Fabriken für die Herstellung von E-Auto-Batterien in Europa zu bauen, unter anderem am Haupt-Motorenstandort Salzgitter. BMW, Porsche und Daimler verkündeten ebenfalls Ausbaupläne.

Elektroauto-Batterie: Wie funktioniert sie?

Die aktuell am weitesten verbreitete Akku-Technologie für Elektroautos sind Lithium-Ionen-Batterien. Sie stecken nicht nur in fast jedem strombetriebenen Auto, sondern auch in den meisten Smartphones und Laptops. Eine einzelne Lithium-Ionen-Batterie besteht aus vier Bestandteilen: einer Kathode, einer Anode, einem Separator und Elektrolyt – einem leitfähigen, meist flüssigen Stoff.

Wie bei jeder Batterie, sitzen in einem Lithium-Ionen-Akku einzelne Ionen an der positiv geladenen Katode. Durch den Einsatz von Energie, also beim Ladevorgang des Elektroautos, wandern diese Lithium-Ionen durch den Elektrolyt zur negativ geladenen Anode. Den Rückweg absolvieren die Ionen freiwillig und setzen dabei Energie frei, die als Antriebsenergie genutzt werden kann.

Da für den Antrieb eines Elektroautos viel Energie notwendig ist, bestehen E-Auto-Akkus aus vielen einzelnen Batteriezellen. Viele kleinere Zellen sind effizienter und sicherer als mehrere große. In einem Tesla Model S beispielsweise, sind es mehr als 8.000. Einzelne Zellen werden in der Regel zu Modulen gebündelt. Durch das Zusammenfassen dieser Module entstehen Hochleistungsbatterien – womit die Industrie außerdem leichter Batterien unterschiedlicher Größen herstellen kann.

Die Vor- und Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien für E-Autos

Im Werk Dingolfing werden für den BMW iX und BMW i4 Batterien hergestellt. (Bild: BMW)

Lithium-Ionen-Akkus beherrschen schon lange den Markt für alle möglichen elektrischen Alltags-Gegenstände. Das liegt an den zahlreichen Vorteilen der Technologie: Die Akkus haben eine hohe Energiedichte, können also viel Energie auf wenig Raum speichern. Außerdem wiegen sie vergleichsweise wenig. Darüber hinaus ist die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus sehr hoch. Viele Autohersteller geben in der Regel eine Garantie für 8 Jahre und ca. 160.000 Kilometer.

Aktuell sind mit Lithium-Ionen-Akkus im E-Auto bereits Reichweiten von mehr als 700 Kilometern möglich, wie sie zum Beispiel Mercedes für ihren Technologieträger, den EQS, angibt. Zum Vergleich: Nissan kündigte für Anfang 2016 mit Stolz an, dass die Reichweite des Nissan Leaf dank größerer Batterie auf 250 Kilometer steigt. Heute schafft der E-Auto-Pionier 385 Kilometer mit einer Akku-Ladung.

Die weit verbreitete Batterie-Technologie hat allerdings auch einige Nachteile. Einer davon ist der hohe Preis für die Lithium-Ionen-Akkus. Noch immer ist die Batterie der mit Abstand größte Kostenfaktor im E-Auto, auch wenn der Preis für die Lithium-Ionen-Akkus in den vergangenen Jahren massiv gesunken ist. Zum anderen sind sie immer noch sehr temperaturempfindlich. Bei kaltem Wetter sinkt ihre Leistungsfähigkeit teils erheblich.

Zudem müssen sie aufwendig geschützt werden. Wenn sie nach einem Unfall in Brand geraten, sind sie nur sehr schwer zu löschen. Darüber hinaus enthalten Lithium-Ionen-Akkus für Autos seltene Rohstoffe wie Lithium, Kobalt und Cadmium. Vor allem Kobalt wird ohne die Einhaltung von Menschen- und Umweltrechten meist in kleinen Minen in Südamerika oder im Kongo abgebaut.

Neue Technologien für E-Auto-Batterien

Toyota installierte und testete 2020 erstmals eine Feststoffbatterie in dem Versuchsfahrzeug Toyota LQ (Bild: Toyota)

Regelmäßig verkünden Unternehmen Weiterentwicklungen und Forschungsergebnisse für neueste Akku-Technologie von Elektroautos – manche stellen dabei sogar Reichweiten von bis zu 2.000 Kilometern in Aussicht. Darüber hinaus werden auch weitaus schnellere Ladevorgänge erforscht. Gleichzeitig hat die Lithium-Ionen-Technologie noch Potenzial. Da hier die Produktionsprozesse bereits etabliert sind, gilt eine Weiterentwicklung als naheliegende Lösung für die kommenden Jahre.

Nach Angaben des Fraunhofer Institutes ISI könne die Entwicklung hin zu Kobalt-reduzierten und Nickel-reichen Batterien die Rohstoffsituation verbessern. Bereits seit Anfang 2021 werden alle Tesla Model 3 mit kobaltfreien Lithium-Eisenphosphat-Batterien ausgeliefert. Bei Lithium werden in Zukunft ausgereifte Recyclingverfahren für die Rohstoffgewinnung wichtiger werden, so die Forscher.

Feststoffbatterien

Die Feststoffbatterie, auch Festkörperbatterie genannt, gilt als besonders vielversprechende Zukunftstechnologie. Hier fließt der Strom in einem festen, nicht brennbaren Elektrolyt. Diese Art der Batterie soll hohe Reichweiten ermöglichen. Zudem sind die Batterien leicht und günstig. Das größte Problem ist aktuell die Lebensdauer dieser Art von Batterie.

Sowohl Toyota als auch VW glauben fest an die Technologie. Toyota will schon 2025 mit der Produktion ebenjener starten. VW spricht vom „nächsten großen Sprung“ und ist selbst an dem Start-up Quantumscape beteiligt, das Feststoffbatterien entwickelt. Zuvor, im Jahr 2024, könnte eine Anode aus Silizium für deutlich kürzere Ladezeiten sorgen, teilt VW mit.

Natrium-Ionen-Akkus

Der chinesische Batterie-Hersteller CATL setzt hingegen auf Natrium-Ionen-Akkus. Die Serienproduktion soll nach Aussagen des Herstellers bereits 2023 beginnen. Der Vorteil der neuen Technologie: Sie kommt ohne seltene Rohstoffe wie Kobalt, Nickel oder Lithium aus und besteht aus Natrium, Kohlenstoff, Mangan, Eisen und Stickstoff. Dadurch wäre die neue E-Auto-Batterie wesentlich günstiger zu produzieren und schneller zu laden. Auch beim Thema Sicherheit soll sie Vorteile bringen. Allerdings ist die Energiedichte geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien.

Redox-Flow-Batterien

Sogenannte Redox-Flow-Batterien zeichnen sich durch eine lange Akku-Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad aus. Allerdings sind die Batterien aktuell noch zu groß und schwer und deshalb noch nicht für den Einsatz in Elektroautos geeignet. Sie werden vor allem als Zwischenspeicher für Solar- und Wind-Energieversorger eingesetzt. Die Nickel-Metallhydrid-Batterie ist, im Kleinstformat, bereits aus dem Toyota Prius bekannt, wo sie allerdings nur das Anfahren unterstützt.

Sie besitzt eine hohe Energiedichte und lässt sich sehr schnell laden. Andererseits entlädt sie sich schnell und kann einen Memory-Effekt aufweisen: Darunter versteht man den Verlust von Energiekapazität durch zu frühes Aufladen. Dieses Problem tritt bei Lithium-Ionen-Batterien nicht auf.

2.000 Kilometer Reichweite mit einer Batterieladung

Das niederländische Unternehmen SALD BV arbeitet aktuell an einem Super-Akku mit 1.000 Kilometer Reichweite und hält auch die Erweiterung auf 2.000 Kilometer für langfristig realisierbar. Dies soll durch ein spezielles Beschichtungsverfahren gelingen. Die extrem dünne Schicht, nur so dick wie ein Atom, soll die Leistungsfähigkeit von Elektroauto-Akkus, egal ob Lithium-Ionen- oder Feststoffbatterie, enorm steigern. Der Hersteller spricht von einer dreifachen Reichweite und von einem fünfmal schnelleren Aufladen. Gespräche mit der Autoindustrie sollen bereits stattfinden. 2022 oder 2023 sollen die neuen E-Auto-Akkus serienreif sein.

Elektroauto-Batterie: Es bleibt spannend

Auch wenn Batterien letztlich nur der Energielieferant für das Elektroauto sind, haben sie doch eine ungleich größere Bedeutung als der Tank eines Verbrenners. Der Fortschritt, der in den vergangenen Jahren bei Lithium-Ionen-Batterien erzielt wurde, hat die Alltagstauglichkeit von E-Autos massiv gesteigert und Reichweiten von 700 Kilometern und mehr ermöglicht. Dennoch werden Lithium-Ionen-Batterien nicht das Ende der Fahnenstange sein. Im Gegenteil: Die Industrie forscht parallel zur Weiterentwicklung in viele Richtungen nach anderen Energiespeichern.

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Titelbild: Volkswagen

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