Kapitel 7

Starkes Duo: E-Motor und Lithium-Ionen-Akku

IN DIESEM KAPITEL

  • Was sind die physikalischen Grundlagen eines Elektromotors?
  • Woraus besteht so eine aufladbare Batterie für E-Autos?
  • Wie haltbar ist ein Lithium-Ionen-Akku?

Kernstücke eines jeden Elektromobils sind der Stromspeicher und der Elektromotor – also der Energielieferant und der Energieverwerter, der die Energie in Bewegung umsetzt. Das Prinzip eines Elektromotors ist schon alt: Er wurde bereits 1837/38 patentiert. Und er ist nach wie vor als Antriebsmaschine beliebt, weil er äußerst effizient im Umgang mit Energie ist – zuverlässig, verschleiß-, wartungs-, geräusch- und vibrationsarm. Bei den Akkus dagegen experimentieren Forscher nach wie vor an den geeignetsten Mischungen an chemischen Bestandteilen. Stand der Technik sind zurzeit (noch) Lithium-Ionen-Akkus.

Im Elektromotor geht es rund

Elektromotoren machen sich die gegenseitige Wirkung von elektrischer Ladung und Magnetismus zunutze. Zum Verständnis müssen Sie ein wenig Schulphysik wiederholen:

  • Jeder Magnet hat einen Nordpol und einen Südpol. Auf sogenannte ferromagnetische Stoffe wie Kobalt, Eisen und Nickel wirken die Magnetkräfte anziehend.
  • Zwei Magnete können sich anziehen oder abstoßen, je nach Lage zueinander: Stehen sich zwei gleiche Pole gegenüber (Süd- und Südpol, Nord- und Nordpol), sprich, sind ihre magnetischen Felder entgegengesetzt, stoßen sie sich ab. Stehen sich zwei unterschiedliche Pole gegenüber und liegen die Magnetfelder in der gleichen Richtung, ziehen sie sich an.
  • Auch Strom hat zwei Pole: Plus- und Minuspol, also eine positive und eine negative elektrische Ladung – was an jeder haushaltsüblichen Gerätebatterie zu sehen ist.
  • Magnetfelder und Stromladungen wirken ebenfalls aufeinander ein – das nennt man Lorentzkraft, benannt nach dem niederländischen Mathematiker und Physiker Hendrik Antoon Lorentz: Ein magnetischer Nordpol zieht die elektrische Minusladung an und stößt die Plusladung ab. Und umgekehrt zieht der magnetische Südpol die elektrische Plusladung an und stößt die Minusladung ab.
  • Ein Elektromagnet nutzt die Lorentzkraft und verstärkt die Wirkung, indem eine Stromleitung um einen ferromagnetischen Kern gewickelt ist – als Spule. So wird mit einem Elektromagneten ein Magnetfeld erzeugt, das sich je nach Stromfluss beliebig ein- und abschalten und sogar umpolen lässt.

Das alles sind die Bausteine und physikalischen Hintergründe für Elektromotoren – sie sind erstaunlich simpel aufgebaut: Mehrere Elektromagnete und Magnete (oder nur Elektromagnete) sind so um und an einer Achse angeordnet, dass die gegenseitigen Anziehungs- und Abstoßungskräfte beim regelmäßigen Umpolen eine Drehbewegung erzeugen. Dies zeigt auch Abbildung 7.1.

Abbildung 7.1: Das Funktionsprinzip eines Gleichstrom-Elektromotors. Der Wechsel des Magnetfeldes wird über Schleifringe und -kontakte erzeugt.

Quelle: Silberstein

Da ein Akku im E-Auto Gleichstrom bereithält, könnte man annehmen, dass die meisten Fahrzeuge auch von reinen Gleichstrom-Elektromotoren wie in Abbildung 7.1 angetrieben werden. Das ist allerdings nicht der Fall, weil sie weniger effektiv als Wechselstrom- beziehungsweise Drehstrom-Motoren arbeiten (mehr zu den Unterschieden zwischen diesen beiden Stromarten erfahren Sie in Kapitel 9 »Strom, die unsichtbare Energie«, Abschnitt »Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom«). Sie haben eine geringere Leistungsdichte und einen schlechteren Wirkungsgrad. Zudem benötigen sie für den Magnetfeldwechsel im Rotor Schleifringe und -kontakte (Bürsten). Diese verschleißen durch Reibung und können störende Funkenfeuer erzeugen.

Deshalb verwenden die meisten E-Autos Drehstrom-Elektromotoren. Dazu muss der Gleichstrom im Auto wieder durch einen Wechselrichter in Wechselstrom gewandelt werden, und zwar in drei Strom führende Phasen mit zeitlich versetzter Wechselspannung. Diese sorgt in Elektromagneten automatisch für die entsprechende Umpolung. Dafür braucht es in den meisten Fällen keine verschleißenden Kontakte.

In Elektrofahrzeugen kommen diese Arten von Wechselstrom-Motoren zum Einsatz:

  • Bei permanenterregten Synchronmotoren (PSM) befinden sich im Rotor Permanentmagnete aus seltenen Erden, während außen herum platzierte Elektromagnete (Stator) durch Drehstrom für ein rotierendes Magnetfeld sorgen. Diese Motoren sind klein und effizient, aber teuer. Man findet sie zum Beispiel in VW ID.3, Porsche Taycan und vielen Hybriden.
  • In fremderregten Synchronmotoren (FSM, oder auch stromerregte Synchronmotoren genannt, SSM) sind die Permanentmagnete durch Elektromagnete ersetzt, die unter Gleichstrom stehen – was wiederum die Effektivität mindert und unter Umständen doch wieder verschleißende Schleifkontakte erfordert. Diese Motoren sind aber besonders günstig und treiben zum Beispiel Renault Zoe und den e-Smart an.
  • Asynchronmotoren (ASM) heißen so, weil das außen durch Elektromagnete erzeugte Magnetfeld schneller rotiert als der elektromagnetische Rotor im Innern. Stator und Rotor laufen also nicht synchron. Sie sind schwerer und weniger effektiv, aber können auch mal für eine kurze Zeit mit Überlast betrieben werden, was wie ein Booster wirkt. Daher sind diese Motoren bei Premiumfahrzeugen wie Tesla Model S und X, Mercedes EQC und Audi E-Tron zu finden. Tesla kombiniert auch Asynchron- und Synchronmotoren.
  • Als vierte Variante kämen Reluktanzmotoren infrage, werden aber in Reinform nicht verbaut, sondern nur als veränderte permanenterregte Synchronmotoren (also als Hybride). Reluktanz (von reluctari, lateinisch: widerstreben) bezeichnet den magnetischen Widerstand. Dabei wirken die von den äußeren Spulen erzeugten Magnetfelder nicht nur auf die Permanentmagnete, sondern zusätzlich auf den aus weichmagnetischen Materialien (wie Eisen) speziell geformten Rotor, der mit Permanentmagneten besetzt ist. Somit sind bei gleicher Leistung weniger teure Magnete erforderlich. So spricht BMW beim i3 von einem zusätzlichen Reluktanzmoment.

Abbildung 7.2: Elektromotor der Zulieferfirma Aisin mit Übersetzungsgetriebe auf der Mondiale Paris Motor Show 2018.

Quelle: Silberstein nach einer Vorlage von Matti Blume, CC-BY-SA 4.0

images Der Wirkungsgrad eines E-Motors liegt bei mehr als 90 Prozent. Das heißt: Mehr als 90 Prozent der elektrischen Energie, die am Motor ankommt, wird in Bewegungsenergie umgesetzt. Nur ein kleiner Teil geht in Form von Reibung und Wärme verloren. Zum Vergleich: Ein Ottomotor hat einen Wirkungsgrad von weniger als 40 Prozent, ein moderner Diesel im besten Fall von etwas mehr als 40 Prozent.

Lithium-Ionen-Akkus, die Energiesammler

Die Idee von wiederaufladbaren Batterien ist schon mehr als 120 Jahre alt. Aber nach wie vor steht diese Frage im Raum: Wie kann man auf möglichst kleinem Raum und mit geringem Gewicht sowie möglichst günstig so viel Energie wie möglich speichern? Die Lithium-Ionen-Technik erfüllt diese Anforderungen derzeit am besten – darum geht es in diesem Abschnitt.

Dieser Akku-Typ kennt keinen Memory-Effekt (häufiges Teil- statt Vollladen und -entladen führt also nicht zu Kapazitätsverlusten) und ist relativ lange halt- und gut recycelbar. Deshalb finden Lithium-Ionen-Akkus vielfach Verwendung, ob in Handy, Laptop oder als Stromspeicher für ganze Häusergruppen. Und natürlich in E-Autos.

Der Akku eines Fahrzeugs besteht aus mehreren Akku-Packs – also miteinander verbundenen Paketen – und die wiederum aus einzelnen Akku-Zellen. Eine Zelle ist die kleinste Speichereinheit und ist in mehreren Schichten aufgebaut, die gerollt oder gefaltet sind.

Jetzt geht es unvermeidbar tief in die Chemie. Sie können die folgenden Punkte überlesen, wenn Ihnen die Information reicht, dass elektrische Energie in Lithium-Ionen-Akkus in chemische Energie gewandelt wird und umgekehrt.

»Technik ist am mächtigsten, wenn man sie nicht sehen kann.«

Dan Kaufman, Leiter von Googles Geheimlabor Advanced Technologies and Products (ATAP)

Der Aufbau

  • Ein Akku hat zwei Pole, zwischen denen eine elektrische Spannung anliegt (siehe Abbildung 7.3): Plus und Minus, also positiv und negativ geladene Elektroden (Kathode (+) und Anode (-) genannt).
  • In Lithium-Ionen-Akkus werden als leitfähige, aber chemisch zu den Elektroden die nicht reaktionsfähigen Materialien Aluminium an der Kathode (+) und Kupfer an der Anode (-) eingesetzt – in Folienform.
  • Die Kathode (+) besteht aus Metalloxiden, in denen Lithium-Ionen eingelagert werden können, die Anode (-) aus einer Grafit-Kristallgitter-Struktur, in der bei einem vollen Akku bereits Lithium-Atome eingelagert sind. Dort teilen sich diese je ein Elektron (Elementarteilchen von Atomen und Ionen, immer negativ geladen) mit dem Grafit. Ionen sind Atome, denen Elektronen fehlen – deshalb ist ihre relative Ladung positiv.
  • Zwischen Kathode und Anode befindet sich eine Elektrolytlösung aus einem organischen Lösungsmittel und einem Leitsalz, in dem sich Lithium-Ionen frei bewegen können. In der Mitte liegt eine Membran (eine Trennschicht, auch Separator genannt), die nur diese durchlässt, nicht aber Metallionen, Teile des Grafits oder Elektronengas. Denn das bedeutete einen Kurzschluss.
  • Die Lithium-Atome im Grafit haben eine größere Affinität (Anziehungskraft) zum Material der Kathode (+) als zur Grafit-Anode (-). Das heißt: Sie haben den Drang, sich zur Kathode zu bewegen. Dies ist als elektrische Spannung an den Polen messbar.

Abbildung 7.3: Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus.

Quelle: Silberstein

Beim Fahren

  1. Wird der Akku entladen (also beim Fahren), wird die chemisch gespeicherte Energie in elektrische gewandelt (siehe Abbildung 7.4): Die Lithium-Ionen lösen sich vom Grafit und geben das gemeinsam gebundene Elektron (negativ) an den Stromkreis ab. Die Elektronen können zur Kathode (+) nur den Umweg über die elektrischen Leitungen nehmen. Die Energie des Stromflusses wird in Motor, Heizung und anderen Verbrauchern genutzt.
  2. Die an der Kathode (+) ankommenden Elektronen (negativ) verbinden sich mit dem Metalloxid, das dadurch seine Ladung ändert. Durch den Ladungsüberschuss an der Kathode werden die frei gewordenen Lithium-Ionen (positiv) angezogen. Diese wandern durch den Separator zum Metalloxid – in Summe wird die Kathode somit ladungsneutral.

Abbildung 7.4: Beim Fahren, also beim Entladen des Akkus, wird chemisch gespeicherte Energie in elektrische gewandelt.

Quelle: Silberstein

Beim Laden

  1. Wird der Akku aufgeladen (zum Beispiel an einer Ladesäule), läuft der Prozess umgekehrt (siehe Abbildung 7.5): Elektrische Energie wird wieder in chemische gewandelt. Durch die Ladeelektronik liegt eine elektrische Spannung an den Elektroden an – höher als die momentane des Akkus. Die Kathode wird zur Anode und umgekehrt.
  2. Dem Akku-Pluspol (jetzt Anode) werden aus dem Metalloxid Elektronen (negativ) entzogen und über die elektrischen Leiter dem Minuspol (jetzt Kathode) zugeführt. Dort gibt es dadurch einen negativen Ladungsüberschuss, der die Lithium-Ionen aus dem Metalloxid anzieht. Sie wandern durch den Separator und nehmen zusammen mit dem Grafit je ein Elektron (negativ) auf. Dies geschieht entgegen ihrer größeren Affinität – das heißt: Für diesen Prozess muss Energie von außen zugeführt werden.

Abbildung 7.5: Beim Aufladen des Akkus wird aus elektrischer Energie wieder chemisch gespeicherte.

Quelle: Silberstein

images Eine übliche Akkuzelle liefert eine Nennspannung von 3,6 Volt. Diese vielfach in Reihe geschaltet ergeben die nötigen Hochvoltakku-Pakete mit mehreren Hundert Volt. Üblich sind 400 Volt oder gar 800 Volt wie bei Porsche Taycan, Audi e-tron GT, Hyundai Ioniq 5 und Kia EV 6.

images Die Akkus sind seit einigen Jahren ein spannendes Forschungsfeld mit vielfachen und schnellen Entwicklungen und mit noch ungeahnten Potenzialen. Insbesondere wird das Zusammenspiel verschiedener Materialien für Anoden, Kathoden und Elektrolyte getestet. Namhafte Hersteller forschen derzeit vor allem an Feststoffbatterien, die die Reichweiten deutlich vergrößern und Ladedauern verkürzen sollen. Zum Einsatz kommt darin ein festes Leitmedium zwischen Plus- und Minuspol statt einer Elektrolytlösung.

»Wer die dickste Batterie hat, ist der Coolste.«

Achim Kampker, StreetScooter-Gründer, kritisiert die Elektro-SUVs

Ein Jungbrunnen für den Akku

Pauschal lässt sich nicht sagen, wie lange Lithium-Ionen-Akkus ausreichend Leistung zeigen – mehrere Faktoren sind dafür ausschlaggebend:

  • die chemische Zusammensetzung der Akkuzellen
  • der technische Aufbau durch die Fahrzeugentwickler
  • die Häufigkeit des Ladens und Entladens
  • Lade- und Fahrverhalten des Besitzers

Für Lithium-Ionen-Akkus gilt generell, dass hohe Temperaturen sowie lange Zeiträume mit nahezu leerem oder randvollem Akku schädigend für die chemischen Strukturen der Zellen sind, im Besonderen der Grafitgitter. Sprich: Je öfter diese Situationen vorkommen, desto mehr und schneller verliert der Akku an Kapazität und Leistung.

Die Hersteller tragen bereits Vorsorge, um die größten Risiken zu minimieren:

  • Die Bordelektronik regelt die Lade- oder die Fahrleistung herunter, wenn es nötig wird. Denn das Auf- und Entladen erzeugt durch die Innenwiderstände Wärme – umso mehr, je größer der Stromfluss ist. Ein Teil der Energie, die eigentlich zum Fahren gedacht war, geht dafür verloren (je nach Akku und Ladeelektronik zwischen zwei und zehn Prozent). Ab 30 Grad Celsius bekommen die Akkus bereits Stress. Immer mehr Fahrzeugmodelle haben eine aktive Kühlung beziehungsweise Heizung ihrer Zellenpakete – damit kann die Leistungsreduktion vermieden werden, kostet aber zusätzlich Energie.
  • Die Fahrzeuge sind so programmiert, dass die Randbereiche der Akku-Kapazität gar nicht genutzt werden. Sprich: Sie sind eigentlich 10 bis 15 Prozent größer dimensioniert, um Puffer nach oben und unten zu gewähren. Wir sprechen daher von Brutto- und Netto-Akkugröße. Das heißt: Selbst wenn im Cockpit 100 Prozent Vollladung angezeigt wird, wäre eigentlich noch Luft nach oben. Auch wer mit leerem Akku auf der Strecke stehen bleibt, hätte eigentlich noch Strom für ein paar Kilometer – dann aber hinterher einen beschädigten Stromspeicher, wenn er diesen nutzen dürfte.

images Sie können die Lebensdauer des Akkus erhöhen, wenn Sie möglichst nicht immer vollladen und nicht immer fast leer fahren, auch wenn Sie langsam statt schnell laden. Siehe auch Kapitel 12 »Ein bisschen Pflege tut dem Akku gut«, Abschnitt »Akkus mögen weder Hitze noch Gedrängel in den Zellen«. Kaufen Sie ein Auto mit einer aktiven Akku-Kühlung, wenn Ihnen die Akku-Haltbarkeit wichtiger ist als minimaler Stromverbrauch.

Doch auch wenn ein Akku sehr schonend behandelt wird: Mit der Zeit und mit jedem Ladezyklus – man spricht dabei vom Laden der Menge Strom, die der Gesamtkapazität des Akkus entspricht, egal in wie vielen Einzelladungen – baut er ab. Dabei häufig nicht linear, sondern in einer Kurve: Die Kapazität verliert in den ersten Jahren relativ schnell bis auf etwa 90 Prozent, danach reduziert sie sich langsamer, die Kurve flacht ab. Parallel dazu steigen die Innenwiderstände, die die Leistung – zum Beispiel für die Beschleunigung – reduziert. Letzteres merken die Besitzer in der Regel nicht, weil die Fahrzeuge in der Höchstgeschwindigkeit ohnehin limitiert sind. Die Degradation (lateinisch degradare: herabsetzen, Kapazitätsverluste) machen sich allerdings eindeutig in der Reichweite bemerkbar.

images Nach einer Faustformel verlieren die in Elektroautos verbauten Lithium-Ionen-Akkus nach 500 bis 1200 Ladezyklen und acht bis zehn Jahren etwa 20 bis 30 Prozent ihrer Kapazität. Das wäre bei sehr kleinen Akkus (zum Beispiel mit 30 Kilowattstunden Kapazität) etwa nach einer Gesamtfahrleistung von 80.000 bis 200.000 Kilometern. Bei größeren Akkus ist dieses Level erst nach viel mehr Kilometern erreicht, weil die Ladezyklen größer ausfallen: mit einem 100-kWh-Akku eben erst zwischen fast 280.000 und 667.000 Kilometern.

Faustformeln führen allerdings bei vielen Neulingen zu der Annahme, dass die Akkus dann schrottreif seien und ausgetauscht werden müssten. Dem ist nicht so! Die meisten Akkus halten noch sehr viel länger – verlieren nur weiter an Kapazität und Leistung, die Autos somit an Reichweite. Selbst nach dem Ableben des Chassis sehen die Recyclingpläne der Hersteller vor, Akkus hinterher weiter als stationäre Speicher einzusetzen. Dort kommt es weniger auf das Verhältnis von Kapazität, Volumen und Gewicht an, also kann man mehrere altgediente Akkus mit verminderter Leistung zusammenschalten.

images An der Haltbarkeit der Batteriezellen wird weiter geforscht – in dieser Hinsicht wird es in Zukunft noch bessere Entwicklungen geben. Nur als Hintergrund: Nach einer Studie von 2013 in den USA hatten die Akkus von 100 Tesla Roadster nach 160.000 Kilometern noch 80 bis 85 Prozent ihrer Kapazität. Fünf Jahre später hat die Auswertung von 350 Fahrern verschiedener Teslas eine Restkapazität von über 90 Prozent nach 200.000 Kilometern ergeben.

images Der Kauf eines größeren Akkus macht nicht nur Sinn, wenn Sie eine möglichst große Reichweite haben möchten, sondern auch, wenn der Akku möglichst lange halten soll. Denn je größer die Kapazität ist, desto langsamer altert er – für die gleiche Laufleistung über die gesamte Lebensdauer sind nämlich weniger Ladezyklen nötig.

»Die Zukunft gehört dem Elektroauto.«

Martin Winterkorn, ehemaliger VW-Vorstandsvorsitzender, 2008