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Batterien für Elektroautos


Die Mobilität der Menschen, ein persönliches Bedürfnis und auch ein wirtschaftliches Erfordernis moderner Industriegesellschaften, ist durch das Automobil immens gesteigert worden. Güter werden ebenfalls überwiegend damit transportiert (Spektrum der Wissenschaft, September 1996, Seite 98). So findet der Verkehr inzwischen etwa zu 90 Prozent auf der Straße statt.

Als Antriebsaggregate haben sich dabei die von August Nikolaus Otto (1832 bis 1891) und Rudolf Diesel (1858 bis 1913) entwickelten Verbrennungsmotoren durchgesetzt. Aber die Quelle der Kraftstoffe wird erschöpft, auch wenn die Versorgung einstweilen sicher scheint – die derzeit bekannten Erdölvorräte reichen bei gleichbleibendem Verbrauch noch für 43 Jahre. Zudem tragen die Abgase der Personen- und Lastwagen erheblich zur Umweltschädigung bei.

Ökologisch entschieden verträglicher sind hingegen Elektromobile. Sie können die vorhandene Versorgungsinfrastruktur der Elektroindustrie und Stromwirtschaft – vom Kraftwerk über die Leitung bis zur Steckdose – nutzen, sind deutlich geräuschärmer als Benzin- und Dieselautos und fahren emissionsfrei. Schadstoffe entstehen lediglich in reduziertem Maße, großtechnisch kontrolliert und abhängig vom Energiemix bei der primären Stromerzeugung.

Diese Fahrzeuge sind durchaus keine neue Erfindung. Als 1885 Carl Friedrich Benz (1844 bis 1929) seine dreirädrige Motorkutsche vorstellte und Gottlieb Wilhelm Daimler (1834 bis 1900) unabhängig davon 1886 seine vierrädrige, waren elektrisch betriebene Wagen bereits seit 1881 in Paris unterwegs. Solch ein Vehikel, von dem Franzosen Camille Jenatzy (1868 bis 1913) konstruiert und "La Jamais Contente" – die niemals Zufriedene – genannt, fuhr 1899 als erstes Automobil schneller als 100 Kilometer pro Stunde. Um die Jahrhundertwende waren in den USA die Benzinautos mit 22 Prozent in der Minderheit – Elektromobile hatten 38 und Dampfkraftwagen noch 40 Prozent Anteil. Man schätzte den Strombetrieb wegen ihrer leichten Bedienbarkeit, der Zuverlässigkeit und Sauberkeit; Reichweite und Leistung waren noch weniger wichtige Kriterien.

Mit der Erfindung des elektrischen Anlassers für den Ottomotor änderten sich aber die Wettbewerbsbedingungen. Gleichwohl ist der Elektromotor nach wie vor als Antrieb für Automobile geradezu ideal: Sein volles Drehmoment erzeugt er bereits aus dem Stillstand, während Benzin- und Dieselmotor ihre Schwungmasse erst auf 800 bis 1000 Umdrehungen pro Minute beschleunigen müssen, um nennenswerte Zugkraft zu entwickeln. Anfahren ohne Rucken bedarf zudem einer Kupplung beim Schalt- beziehungsweise eines Drehmomentwandlers beim Automatikgetriebe – beides entfällt jedoch beim Elektromotor, dessen Leistungsabgabe bis zu höchsten Drehzahlen weitgehend konstant bleibt (Bild 1).

Ein großer Nachteil ist aber der im Vergleich zum Kraftstofftank begrenzt aufnahmefähige elektrische Energiespeicher. Während beispielsweise 40 Liter Benzin einen nutzbaren Energieinhalt von 400 Kilowattstunden haben, den der Motor je nach Fahrweise zu 8 bis 15 Prozent umsetzt, vermögen Batterien derzeit nur 20 bis 30 Kilowattstunden zu speichern, die der Elektromotor zu 80 bis 90 Prozent verwertet.

Dementsprechend hatten 1995 die elektrisch betriebenen Fahrzeuge am gesamten Bestand von 47,5 Millionen Automobilen in der Bundesrepublik nach Angaben der Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke nur einen Anteil von 0,01 Prozent; davon waren die Hälfte Personenwagen. Zwar präsentieren Bastler, Entwicklungsbüros und auch die Automobilindustrie immer wieder neue und ansprechende Konzepte, darunter Solarmobile und Elektromotoren als Komponenten von Hybridantrieben (Spektrum der Wissenschaft, Mai 1989, Seite 96, Juli 1990, Seite 44, April 1993, Seite 92 und Juni 1993, Seite 22); alternativ arbeitet man auch an Brennstoffzellen (Spektrum der Wissenschaft, Juli 1995, Seite 88). Doch schien bislang der bewährte Verbrennungsmotor auf absehbare Zeit die wirtschaftlichste und vor allem die für den Kunden kostengünstigste Lösung zu sein.

Einen starken Motivationsschub für intensivere Forschung und Entwicklung gab das Umweltministerium von Kalifornien 1990 mit dem rigiden Clean Air Act. Nach dieser Verordnung zur Luftreinhaltung müssen ab dem Jahre 2003 zehn Prozent der dort zugelassenen Neuwagen aller Hersteller emissionsfrei sein. Zwar genehmigte die Behörde vor kurzem Erleichterungen für den Übergang, doch zwingt diese Marge die Branche zum Engagement.

Anforderungen an die Stromversorgung

Eine Traktionsbatterie muß wie ein Kraftstofftank die gespeicherte Energie unabhängig von Hitze oder Kälte, Trockenheit oder Feuchtigkeit, Stillstand oder Rüttelbelastung nach Bedarf des Fahrers abgeben. Bis zu einem solchen produktionsreifen System für Elektroautos ist es jedoch noch ein weiter Weg; der Entwicklungsvorsprung des Verbrennungsmotors läßt sich nicht innerhalb weniger Jahre aufholen. Der Markterfolg mit Strom betriebener Fahrzeuge wird vermutlich davon abhängen, ob folgende Kriterien erfüllt sind:

- Die Energiedichte, also die pro Kilogramm Batteriegewicht beziehungsweise pro Liter Batterievolumen speicherbare Energiemenge, bestimmt die Reichweite des Fahrzeugs. Für den Stadtverkehr, dem wohl häufigsten Einsatzbereich mit stark variierenden Geschwindigkeiten, setzt man als Anhaltswert je Batterieladung mindestens 100 Kilometer; so weit kann man auch mit konstantem Tempo von 100 Kilometern pro Stunde fahren (Bild 2).

- Die Leistungsdichte, also die maximal entnehmbare elektrische Leistung, bestimmt Höchstgeschwindigkeit und Beschleunigung. Erstere begrenzt man auf 120 Kilometer pro Stunde; mehr wäre zwar technisch möglich, aber nicht ökonomisch. Letztere ist kein Problem: Im sehr viel langsameren Stadtverkehr beschleunigt der elektrische Antrieb ohnehin stärker als der eines konventionellen Automobils. Die Leistungsdichte einer Traktionsbatterie sollte bei 150 Watt pro Kilogramm beziehungsweise 200 Watt pro Liter liegen, um zügiges Fahren zu ermöglichen.

- Außerdem muß die Batterie beliebig oft wieder aufladbar, die elektrochemische Reaktion also gänzlich reversibel sein. Schaltet beim Bremsen der Motor zum Zwischenladen auf Generatorbetrieb, läßt sich insbesondere im Stadtverkehr mit häufigem Tempowechsel bis zu 30 Prozent der Energie einsparen. Wenig gebräuchlich für die Elektrotraktion sind Primärzellen, die nach jedem Einsatzzyklus ausgetauscht und außerhalb des Fahrzeugs regeneriert werden, wofür eine besondere Infrastruktur erforderlich ist (siehe Kasten Seite 97).

- Auch nach tausendfachem Laden und Entladen muß die Stromquelle noch funktionstüchtig sein; das entspricht etwa der Gebrauchsdauer eines Automobils von zehn Jahren und in dieser Zeit durchschnittlich gefahrenen 150000 Kilometern. Elektroden- und Elektrolytmaterial müssen ebenfalls für so lange Zeit chemisch stabil bleiben.

- Das System soll sich einfach in den Fahrzeugkörper einbauen lassen und wenig Platz beanspruchen. Optimal wäre es, mit flexiblen Konfigurationen vorhandenen Raum voll zu nutzen. Weder Koffer- noch Fahrgastraum dürfen eingeschränkt werden.

- Umgebungstemperaturen von minus 40 bis plus 75 Grad Celsius dürfen Leistung und verfügbare Energie kaum beeinträchtigen. Auch höchste Luftfeuchtigkeit sowie Spritz- und Waschwasser muß die Batterie vertragen, ebenso dauernde Vibrationen und häufige Schockbelastungen.

- Das System muß wartungsfrei funktionieren. Auch bei schweren Unfällen darf davon keine zusätzliche Gefahr ausgehen. Es soll keine gesundheits- und umweltgefährdenden Werkstoffe enthalten, und die verwendeten sollen sich wiederaufbereiten lassen.

- Schließlich darf der Preis der Batterie das E-Mobil insgesamt nicht zu sehr verteuern.

Prinzipiell gibt es eine Reihe chemischer Stoffpaarungen, die sich eigneten. Einige davon werden an Hochschulen und in den Labors der Industrie getestet. Wegen der Komplexität der Anforderungen kommen allerdings nur wenige zur praktischen Anwendung (Bild 3).

Die Blei-Gel-Batterie ist derzeit die am häufigsten verwendete, da sie großtechnisch hergestellt wird und deshalb die kostengünstigste wie auch die am besten untersuchte ist. Ihre Energiedichte entspricht aber nicht den genannten Anforderungen.


Das Zebra-System

Die AEG Anglo Batteries wurde 1993 von der deutschen Firma AEG und der südafrikanischen Anglo American Corporation gegründet. Letztere hatte bereits in den siebziger Jahren die technischen Grundlagen des Zebra-Batteriesystems (für: zero emission battery research activity) entwickelt, das wir derzeit zur Serienproduktion vorbereiten. Als Ausgangsmaterialien für die Elektroden dienen Kochsalz (NaCl) und Nickel (Ni), die beim Laden in Nickelchlorid (NiCl2) und Natrium (Na) umgesetzt werden (Bild 4). Die Elektroden sind durch einen keramischen Festkörperelektrolyten getrennt, der für Natrium-Ionen leitfähig ist, jedoch für Elektronen einen Isolator bildet. Zum Laden muß also der Zelle ein dem inneren Natrium-Ionenstrom entsprechender Elektronenstrom von außen zugeführt werden. Dieser wird beim Entladen wieder frei, vom Fahrer per Pedal geregelt. Eine Natrium-Ionen leitende Salzschmelze aus Natriumaluminiumchlorid im Zell-Innenraum verbindet die Keramikinnenwand und die poröse Festkörperelektrode aus NiCl2. Es gibt keine Nebenreaktionen, Ladung kann also nicht verlorengehen. Eine genaue Anzeige des Ladezustands ist jederzeit möglich. Bei der Herstellung wird ein granuliertes Gemisch aus normalem Kochsalz und Nickelpulver zusammen mit einem aus Nickel hergestellten Stromableiter in den reagenzglasförmigen Keramikelektrolyten gefüllt und eingekapselt. Jeglicher Umgang mit metallischem Natrium ist somit vermieden – es bildet sich erst beim Laden. Fast der gleiche Prozeß, nur eben in umgekehrter Richtung, läuft beim Recycling ab: Die Zelle wird auf Betriebstemperatur erhitzt und kurzgeschlossen, restliches Natrium somit in Kochsalz und Nickelchlorid in Nickel überführt. Nach dem Abkühlen kann man die Zelle gefahrlos öffnen, die Materialien durch Auslaugen trennen und das Nickel wiederverwenden. Dieser Zelltyp eignet sich deshalb gut zur günstigen Massenherstellung.

Leistungsmerkmale im Normalbetrieb

Der Batterie kann beliebig Strom entnommen und auch unabhängig vom momentanen Ladezustand wieder zugeführt werden, wozu sie lediglich betriebswarm sein muß. Die geforderte Leistungsdichte erreicht sie sogar, wenn sie nur noch zu einem Fünftel ihrer Kapazität geladen ist. Sofern man darauf verzichtet, im voll geladenen Zustand die maximale Leistung zu nutzen, verhält sich ein damit ausgerüstetes Fahrzeug nahezu wie ein konventionelles Automobil – auch dessen Fahrleistung ist unabhängig vom Tankfüllstand.

Unser Unternehmen baut quadratische Einzelzellen von 37 Millimetern Kantenlänge einschließlich Zellisolation für Batterien von 315 oder 280 Millimetern Höhe. Jede Zelle hat 2,58 Volt Leerlaufspannung und eine Kapazität von 32 Amperestunden. Durch Serienschaltung erreicht man typischerweise etwa 300 Volt, durch Parallelschaltung die gewünschte Batteriekapazität von beispielsweise 64 oder 96 Amperestunden. Der Widerstand der Zellen verläuft so, daß sich die Stromverteilung bei ungleicher Belastung im System automatisch ausgleicht.

Die einzelnen Zellen sind aufrecht in einem Gehäuse untergebracht (Bild 5 links). Die Temperatur im Inneren der Batterie liegt zwischen 270 und 350 Grad Celsius, so daß der Keramikelektrolyt gut leitet. Zur Wärmeisolation ist das Gehäuse wie eine Thermosflache doppelwandig und vakuumisoliert aufgebaut. Die Innentemperatur wird durch elektrische Heizung beziehungsweise Kühlung geregelt. Das System ist somit thermisch fast völlig von der Umgebung entkoppelt: Auch bei 75 Grad Celsius Außentemperatur läßt es sich noch effektiv kühlen, und die Wärmeverluste erhöhen sich selbst bei minus 40 Grad Celsius nur geringfügig.

Da der evakuierte Zwischenraum mit einer druckfesten Isolierung auf Silikonbasis ausgefüllt ist, hält das rechteckige Gehäuse dem Atmosphärendruck stand und läßt sich im Zellenraster frei gestalten. Weil keine Nebenreaktionen wie etwa Gasentwicklung auftreten, können die einzelnen Zellen hermetisch dicht verschweißt werden; das System ist deshalb wartungsfrei. Zu- und abführende elektrische Anschlüsse sind so angelegt, daß Feuchtigkeit nicht eindringen kann. Gegen Schock- und Vibrationsbelastungen schützt ein in die Zelle eingebauter federnder Docht, der unter anderem für eine gleichmäßige Benetzung des Keramikelektrolyten sorgt und ihn abstützt.


Langfristige Zuverlässigkeit

Das Ziel für die Gebrauchsdauer auch bei unentwegtem Einsatz sind die genannten 1000 Lade- und Entladezyklen. Das Vakuum der Isolierung muß gleichfalls für diese Zeit erhalten bleiben. Korrosion oder sonstige abträgliche Effekte wurden durch Wahl entsprechender Materialpaarungen für Stoffe in direktem Kontakt ausgeschlossen.

Selbst wenn man eine zehnjährige Erprobung abwartete, wären Erfahrungswerte wie bei Komponenten von Verbrennungsantrieben nicht zu gewinnen – der Zeitvorsprung ist zu groß. Um trotzdem die Grenzen des Systems frühzeitig auszuloten, haben wir Zeitraffertests unter ungünstigsten Bedingungen bis zum Ausfall unternommen. Außerdem wurden auf Prüfständen und in etwa 75 Fahrzeugen bislang etwa 210 Zebra-Batterien unter Praxisbedingungen erprobt (davon einige in Automobilen von Mercedes-Benz in einem mittlerweile abgeschlossenen Großversuch auf der Insel Rügen); insgesamt legten die Fahrer ungefähr 1,6 Millionen Kilometer zurück, und einige Batterien sind gut vier Jahre, andere sogar schon auf mehr als 100000 Kilometern im Einsatz, ohne daß eine einzige Zelle hätte ausgetauscht werden müssen. Eine Betriebsdauer von zehn Jahren scheint also realistisch.

Dazu trägt wohl auch das sozusagen gutmütige Systemverhalten bei. Beispielsweise kann es vorkommen, daß eine Batterie abkühlt, weil vergessen wurde, den Ladestecker anzuschließen, oder weil sie monatelang nicht betrieben wird. Das schadet ihr aber nicht, und der Energieinhalt bleibt unbegrenzt erhalten.

Selbst wenn einzelne der 200 bis 500 Zellen pro Batterie einmal ausfallen sollten, ist das nicht weiter problematisch: Es reduziert sich dann lediglich die verfügbare Energie jeweils um ein halbes bis ein Prozent; an der Reichweitenanzeige auf dem Armaturenbrett ist dies abzulesen. Bei Bruch der Elektrolytkeramik vermindert sich der elektrische Widerstand der Zelle, denn dann mischen sich das vorhandene Natrium und der Flüssigelektrolyt, wobei elementares Aluminium entsteht, das die Elektroden leitend verbindet. So bleibt der Stromfluß durch die Zellkette bestehen, und eine Batterie zeigt selbst dann, wenn fünf Prozent der Zellen ausgefallen sind, keine merkliche Leistungsminderung.


Sicherheitsaspekte

Um Stromschlag bei einem Verkehrsunfall zu vermeiden, ist der in Elektromobilen vorgeschriebene Hauptschalter – er trennt die Spannungsquelle vom gesamten Fahrzeug – in das Batteriesystem integriert. Trotzdem sind Fehlbedienungen oder Fehler der Überwachungs- oder Ladeelektronik nicht völlig auszuschließen. Sie könnten das System zu stark laden, entladen oder aufheizen sowie es kurzschließen. Die genannte Reaktion mit dem Flüssigelektrolyten schützt bereits gegen übermäßiges Laden und Entladen. Fallen Komponenten aus, schaltet sich das System zudem automatisch ab.

Das stählerne Gehäuse einschließlich seiner Dichtungen vermag Temperaturen bis etwa 800 Grad Celsius standzuhalten; selbst dann würde der Innendruck wegen der hohen Siedetemperaturen der Inhaltsstoffe kaum ansteigen. Auch im Grenzfall – wenn die gesamte gespeicherte Energie bei Kurzschluß in Wärme umgewandelt wird – bliebe die Innentemperatur unter 1000 Grad Celsius; dabei würde die Außenwand ohne weitere Folgen knapp 100 Grad Celsius heiß.

Die Zellen sind zudem so aufgebaut, daß bei einer gewaltsamen Verformung etwa bei einem Unfall zuerst die Keramik bricht. Noch vorhandenes flüssiges Natrium würde, wie beschrieben, sofort mit dem flüssigen Elektrolyten zu Kochsalz reagieren; ein Austreten ist praktisch unmöglich. Diese Reaktion setzt auch nur etwa zwei Drittel so viel Energie frei wie die normale Entladereaktion, und diese wäre wiederum weitestgehend unterbunden, weil Kochsalz und Aluminium dann die Kathode überziehen und damit passivieren.

In Sicherheitstests haben wir eine voll aufgeladene, mit 300 Grad Celsius betriebsbereite Batterie mit 50 Kilometern pro Stunde auf eine senkrecht stehende Leitplanke fallen lassen. Diese drang etwa 30 Zentimeter tief ein und zerstörte die Zellen (Bild 5 rechts). Nahezu die gesamte gespeicherte Energie setzte sich in Wärme um; die Innentemperatur stieg auf etwa 700 Grad Celsius, während außen weniger als 100 Grad Celsius meßbar waren. Außer etwas weißem Rauch, der überwiegend aus dem harmlosen Aluminiumhydroxid und Spuren von Salzsäure bestand, traten keine Reaktanden aus.


Perspektiven

Die Rohstoffe der Zebra-Batterie – im wesentlichen Keramik, Nickel, Stahl, Salz und Glas – sind uneingeschränkt und zu geringen Kosten verfügbar. Das Nickel alter Batterien läßt sich beim Recycling in reiner Form wiedergewinnen. Damit hängt der für den Markterfolg entscheidende Preis nur mehr von den Produktionsverfahren und Stückzahlen ab. Zum Erproben und Optimieren der Herstellprozesse haben wir eine Pilotfertigung aufgebaut. Erste Erfahrungen zeigen, daß der Preis bei dem für das Jahr 2000 geplanten Beginn der Serienproduktion dem heutiger Blei-Traktionsbatterien vergleichbar – also recht günstig – sein dürfte.

Die Zebra-Batterie steht allerdings im Wettbewerb mit anderen Systemen. Dabei ist an erster Stelle die Nickel-Metallhydrid-Batterie zu nennen (die wohl bald die Nickel-Cadmium-Batterie ablösen wird). Sie hat eine um 30 bis 40 Prozent geringere Energiedichte, dafür aber eine höhere elektrische Maximalleistung. Somit eignete sich ein solches System besonders für Hybridantriebe, die ihre Energie streckenweise auch aus Benzin oder Dieselöl beziehen.

Nach fünf bis acht Jahren weiterer Entwicklung werden auch Lithium-Ionen-Batterien für den Einsatz in Elektrofahrzeugen verfügbar sein, die ähnliche Leistungsdaten wie das Zebra-System haben können. Der dann einsetzende Wettbewerb wird fortwährend zu Verbesserungen anreizen, zumal bis dahin Elektroautomobile mehr als marginale Anteile am städtischen Verkehr haben dürften. Mit wachsendem Markt wird das elektrisch betriebene Fahrzeug durch seine Grundeigenschaften den sparsamen Umgang mit Energie fördern.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1996, Seite 96
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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