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Alternative Antriebe

Lithium-Ionen-Batterie

Chevrolet Volt Lithium-Ionen-Batterie Foto: GM 6 Bilder

Lithium-Ionen-Batterien gelten als die Wunderwaffe für verbrauchsarme Antriebe der Zukunft. Mit Recht?

04.06.2007 Alexander Bloch

Batterien werden in Zukunft zur Schlüsseltechnologie für moderne Auto-Antriebe. Die Bandbreite reicht dabei von der elektrischen Versorgung von Zusatzaggregaten wie Pumpen, Klimaanlage und Start-Stopp-Betrieb (Micro-Hybrid) über die elektrische Unterstützung des Fahrbetriebs (Mild-Hybrid) bis hin zum rein elektrischen Fahren (Voll-Hybrid oder Elektroauto). Selbst Brennstoffzellen-Prototypen setzen mittlerweile auf zusätzliche Batterien als Energie-Zwischenpuffer, um den dynamischen Leistungsanforderungen im Fahrbetrieb gerecht zu werden. Für Hybrid-Antriebe gilt grob gesagt: Je höher die Kapazität des Akkumulators, desto größer ist auch das mögliche Energiesparpotenzial gegenüber reinen Verbrennungsmotoren.

Doch genau hier liegt derzeit die Crux. Moderne Nickel-Metall-Hydrid (Ni-MH)-Batterien bieten – wenn sie dauerhaltbar sein wollen – nur ein sehr schmales nutzbares Kapazitätsband. Ein Prius II mit Ni-MH-Akku muss daher schon nach rund zwei Kilometer elektrischer Fahrt wieder auf reinen Verbrennungsbetrieb umschalten. Und diese Akkus sind nicht nur extrem teuer und groß, sie wiegen auch viel. Autos, die nicht wie der Prius gänzlich auf Hybrid-Antrieb konzipiert worden sind, kämpfen mit diesen Nachteilen. Die niedrige Zellenspannung von 1,2 Volt fordert für hohe Spannungen viele in Reihe geschaltete schwere Zellen, und die führen dazu, dass der Innenwiderstand des Akkupacks relativ hoch liegt.

Hoffnung ruht auf Lithium-Ionen-Akkus

Alle Hoffnung ruht daher derzeit auf den Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Nach der elektrochemischen Spannungsreihe ergibt sich bei ihnen eine Zellspannung von 3,6 Volt. Die benötigte Zellenanzahl und der Innenwiderstand sinken deutlich bei gleicher Kapazität und Maximalleistung. Bei der Energiedichte liegen die Li-Ionen-Speicher weit vorne.
Viele große Autohersteller arbeiten aus diesem Grund fieberhaft zusammen mit Batteriefirmen an Li-Ion-Akkus.

In Amerika wollen kleinere Firmen wie Tesla Motors oder Phoenix Cars schon dieses Jahr mit dem Verkauf von reinen Elektrofahrzeugen mit großen Lithium- Ionen-Akkus starten. Ein mutiger Schritt. Schließlich führten erst kürzlich in Flammen aufgehende Sony-Li-Ion-Akkus zu einer gigantischen Rückrufaktion von Laptops. Allerdings wurde bei den Computern zum Teil auf veraltete Ladeelektronik und nicht mehr zeitgemäße Grafit-Kathoden gesetzt. Das eingesetzte Kathoden-Material hat einen entscheidenden Einfluss auf Effektivität und Temperaturverhalten der Li-Ion-Akkus.

Der amerikanische Spezialist Altair Nano verspricht mit einem Nano-Titanat-Kathodenmaterial eine sehr hohe Energiedichte, kurze Ladezeiten und weniger Wärmeentwicklung. Degussa wiederum hat ein keramisches Separatormaterial entwickelt, das die Brandgefahr bei Gegenständen eliminieren soll, die im Falle eines Crashs in den Akku eindringen könnten.

Hybrid-Pionier-Toyota setzt zusammen mit seinem Batteriehersteller Panasonic EV zudem auf ein hohes Maß an Kontrolle und nimmt dafür auch in Kauf, dass die künftigen Li-Ion-Akkus wie im nächsten Prius nicht weniger Platz beanspruchen werden als die bisherigen Ni-MHTypen. Dafür soll aber auch sehr effizient gekühlt und jede einzelne Zelle druck- und temperaturüberwacht werden. Schließlich fließen im Extremfall bis zu 180 Ampere Strom. Wahrscheinlich ist, dass beim nächsten Prius mit Li-Ion-Akkus die Batteriekapazität und damit die mögliche rein elektrische Fahrstrecke nur moderat ansteigen, sich dafür aber das Gewicht und die Kosten der Hybridisierung halbieren.

Zukunft: Plug-in-Hybridkonzepte

Trotzdem führt die Elektrifizierung des Antriebs in den nächsten 20 Jahren nach Toyota-Meinung nicht zu reinen Elektroantrieben, sondern zu Plug-in-Hybridkonzepten mit 70 bis 100 Kilometer elektrischer Reichweite und sehr kleinen, einsatzoptimierten Verbrennungsmotoren als Reichweiten-Reserve.

Der deutsche Hersteller Continental will sich zusammen mit einem Partner ebenfalls ein Stück vom zu erwartenden riesigen Akku-Kuchen abschneiden. Bis 2010 soll ein eigener Li-Ion-Batteriepack auf dem Markt sein, der preislich deutlich unter dem liegen soll, was derzeit für Ni-MH-Typen aufgerufen wird.

Im April schlossen zudem Nissan und die NEC Gruppe ein Joint Venture zur Herstellung von Li-Ion-Akkus. Mit einem Investitionsvolumen von 490 Millionen Dollar wollen die Japaner ab 2009 in die Li-Ion-Massenproduktion einsteigen.

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