Die Batterie eines Elektroautos ist „ein Akkumulator, der chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Während der Entladephasen wird chemische Energie in elektrische Energie und ein kleiner Teil in Wärme umgewandelt“, erklärt der Verband Avere-France.
Eine Batterie besteht aus Zellen und jede Zelle selbst besteht aus einer Kathode, einer Anode, einem Separator und einem Elektrolyten, der flüssig, fest oder halbfest sein kann.
Bei Elektroautos ist die vorherrschende Batterietechnologie Lithium-Ionen, deren Prinzip auf dem reversiblen Austausch von Lithiumionen zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode zur Erzeugung und Speicherung von Elektrizität basiert.
„99,9 % der Batterien von Elektroautos sind heute Lithium-Ionen-Batterien“, bestätigt Yvan Reynier, Batterieexperte bei der Atomic Energy Commission (CEA). Für dieselbe Technologie gibt es jedoch unterschiedliche Batteriechemien, bei denen nicht die gleichen Materialien für die positiven Elektroden verwendet werden.
„Heutzutage gibt es in Automobilen drei positive Elektrodenchemien: Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) und Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA)“, erklärt Yvan Reynier.
Gut zu wissen
Die negativen Elektroden von Elektroautobatterien bestehen aus Graphit oder Graphit und Silizium.
Lithium-Ionen-Akku – NMC und NCA
Sowohl NMC- als auch NCA-Chemikalien verwenden Kobalt und Nickel als Basis in der Kathode. Kobalt ist ein Metall, das eine hohe Energiedichte bietet. „Energiedichte ist die Energie pro Massen- oder Volumeneinheit. Bei NMC- oder NCA-Batterien haben wir auf Zellebene eine Dichte von 250 Wh/kg und 700 Wh/Liter“, erklärt Yvan Reynier.
Batterien, die diese Chemie verwenden, haben daher eine größere Autonomie, aber ihre Kosten sind auch höher im Vergleich zu Batterien, die LFP-Chemie verwenden (siehe nächster Absatz), da Nickel und Kobalt zwei Metalle sind, deren Preis weiter steigt. Zwischen Januar 2021 und März 2022 stieg beispielsweise der Preis für Kobalt um 150 %.
„Diese Batterien können aufgrund ihrer hohen Energiedichte auch heftigere thermische Ausbrüche haben“, betont Yvan Reynier. Diese thermischen Ausbrüche können die Ursache für Brände sein, die immer noch sehr selten sind – und noch seltener als thermische Autobrände –, obwohl es beeindruckend ist, wenn sie tatsächlich auftreten.
Und zwischen den beiden Chemien NMC und NCA gibt es bis auf die verwendeten Metalle keinen großen Unterschied. „NCA-Chemie würde eine etwas bessere Kalenderalterung als NMC-Batterien ermöglichen, aber dies muss für Automobilanwendungen noch nachgewiesen werden“, erklärt der CEA-Batterieexperte. „Es hängt auch vom Nickelgehalt in der Zusammensetzung der Elektrode ab, der bei jedem Hersteller unterschiedlich ist. Insgesamt gilt: Je höher der Nickelgehalt, desto geringer ist die Stabilität“, fährt er fort.
Gut zu wissen
Alle Batterien verhalten sich unterschiedlich, auch wenn dieselbe Technologie und Chemie verwendet wird. Die Zusammensetzung kann variieren und sich daher auf die Leistung auswirken.
Lithium-Ionen-Akku – LFP
Aus wirtschaftlichen Gründen folgten Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) den NMC- und NCA-Batterien. „Zu Beginn der Vermarktung von Elektroautos mit Lithium-Ionen-Batterien haben wir die beste Leistung angestrebt. Es sind also die NMC- und NCA-Batterien, die den Markt gewonnen haben.
Aber heute wollen wir auch Autos der Einstiegs- und Mittelklasse, also wollen wir die Kosten senken“, erklärt Yvan Reynier. Durch den Verzicht auf die Verwendung der teuersten Metalle ermöglicht die LFP-Chemie den Herstellern, ihre Kosten im Vergleich zur NMC-Technologie je nach Leistung der Batterie um 30 bis 40 % zu senken.
„Aber die Energiedichte ist bei einer LFP-Batterie geringer: 180 Wh/kg und höchstens 400 Wh/Liter“, präzisiert der CEA-Experte.
Welche Unterschiede gibt es beim Aufladen?
Über die Energiedichte und die Produktionskosten hinaus gibt es Unterschiede im Ladeverhalten zwischen Lithium-Ionen-Chemikalien. Die Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien sind bis etwa 4,2 Volt stabil.
Bei einer NMC-Batterie liegt die Ladeschlussspannung bei etwa 4,2 Volt, was zu einer Oxidation des Elektrolyten und damit zu einer schnelleren Alterung der Batterie führen kann. Siehe auch : “ Alles über die öffentliche Ladestation“.
Deshalb sollten Sie einen NMC-Akku nicht häufig auf 100 % aufladen und ihn lieber auf einem Ladestand zwischen 20 und 80 % halten. „Bei LFP-Batterien ist das etwas anders: Die Ladeschlussspannung liegt bei etwa 3,7 Volt, sodass keine Bedenken hinsichtlich der Stabilität des Elektrolyten bestehen“, erklärt Yvan Reynier.
Auf jeden Fall sollten Sie vermeiden, einen Lithium-Ionen-Akku zu oft auf 100 % aufzuladen, auch wenn sich ein solches Verhalten bei einem LFP-Akku weniger auf die Lebensdauer auswirkt.
Die Entwicklung der elektrischen Batterietechnologien: eine kleine Geschichte
In der Vergangenheit wurden Elektroautos von anderen Technologien als Lithium-Ionen angetrieben. Die ersten Elektrofahrzeuge liefen zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit Blei-Säure-Batterien. „Das erste Auto, das 100 km/h überschritt, war ein Elektroauto mit einer Blei-Säure-Batterie namens „The Jamais Contente“! » erinnert sich Yvan Reynier.
Allerdings war die Autonomie dieser Blei-Säure-Batterien bei geringer Energiedichte und sehr hohem Gewicht sehr begrenzt. Es sind daher Wärmekraftmaschinen, die auf den Markt gekommen sind. „Später, in den 1990er Jahren, gab es eine zweite Welle von Elektroautos mit Nickel-Cadmium-Batterien.
Aber auch dort war die Energiedichte zu gering, mit realen Reichweiten und sehr geringen Leistungen, zu erheblichen Kosten“, sagt der CEA-Batterieexperte. Erst seit der dritten Welle ab 2010 hat das Elektroauto einen echten Platz auf dem Markt erobert. „Der Autolib war eines der ersten Modelle dieser dritten Welle mit festen Lithium-Metall-Polymer-Batterien (LMP),“ betont Yvan Reynier.
Aufkommende Technologien
Welche Zukunft haben Natrium-Ionen-Batterien?
Es gibt daher andere Technologien als Lithium-Ionen, um ein Elektroauto anzutreiben. Während einige im Laufe der Zeit aufgegeben wurden, könnten in den kommenden Jahren andere entstehen (oder ein Comeback erleben). Die ersten Fahrzeuge mit Natrium-Ionen-Batterien werden in China bereits auf den Markt gebracht.
„Natrium ist eine Option, die attraktiv werden könnte, wenn die Rohstoffpreise und die Verfügbarkeit der in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien problematisch werden. Es ist eine großartige Möglichkeit zur Diversifizierung“, kommentiert Yvan Reynier.
Vor allem, weil Natrium auf der ganzen Welt in großen Mengen zu relativ geringen Produktionskosten vorhanden ist. Natrium-Ionen-Batterien haben jedoch noch geringere Leistungen als die LFP (140 Wh/kg). „Es ist eine gute Lösung für kleine Mobilgeräte und Karren“, glaubt der CEA-Forscher.
LMFP: verbesserte LFP-Chemie
Seit einigen Jahren wird auch eine Variante der LFP-Chemie kommerzialisiert: LMFP (Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat). „Wir ersetzen das Eisen durch Mangan, was die Spannung der Zelle, ihr Potenzial und die Energiedichte im Vergleich zum LFP um 10 bis 20 % erhöht“, erklärt er.
Die Dichte erreicht nicht die von NMC-Batterien, liegt aber nahe daran, während weder Nickel noch Kobalt verwendet werden, was die Produktionskosten erheblich senkt. LMFP scheint daher eine Zwischenchemie der Lithium-Ionen-Batterie zwischen LFP und NMC zu sein.
Hin zu festen oder halbfesten Batterien?
Andere Experimente zielen darauf ab, Lithium-Ionen-Batterien in feste oder halbfeste (oder Hybrid-)Batterien umzuwandeln. Heutzutage ist in einer Lithium-Ionen-Batterie alles fest, bis auf den Elektrolyten, der flüssig ist. „Bei einer Feststoffbatterie ersetzen wir den flüssigen Elektrolyten durch einen festen Elektrolyten.
Aber es ist sehr schwierig, diese Technologie zum Laufen zu bringen, weil ein Feststoff weniger gut leitet als eine Flüssigkeit“, betont Yvan Reynier. „Außerdem weist eine solche Technologie tendenziell eine schlechtere Leistungsleistung auf.
Daher gibt es Hybridansätze, bei denen wir einen Teil der Flüssigkeit entfernen und mit Feststoff mischen, um eine gute Leistung aufrechtzuerhalten“, erklärt der Forscher. Das Ziel? Erhöhen Sie die Sicherheit, indem Sie flüssigen Elektrolyten ersetzen, der brennbar ist und somit das Energieniveau während des thermischen Durchgehens erhöht.
Schließlich „wird an disruptiven Technologien geforscht, aber es ist noch nicht viel darüber bekannt.“ Insgesamt kann es zwischen Suchankündigungen und Massenproduktion 10 oder sogar 20 Jahre dauern“, bemerkt Yvan Reynier. "Die CEA hat zum Beispiel Anfang der 2000er Jahre an der LFP-Chemie gearbeitet und 2015 die ersten Proof-of-Concepts für Natrium-Ionen-Zellen hergestellt.
Wir haben bereits mehrere Jahre Erfahrung mit Feststoffzellen, aber die Reife reicht noch nicht aus, um sie auf den Markt zu bringen", fährt er fort. Der Experte meint daher: "Selbst wenn eine neue Technologie käme, würde es ein knappes Jahrzehnt dauern, bis sie den Markt erobern würde, beginnend mit dem High-End-Markt".