Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Elektrofahrzeugen rücken auch die Antriebsbatterien immer stärker in den Fokus. Batterie, Motor und elektrisches Steuerungssystem sind die drei Schlüsselkomponenten von Elektrofahrzeugen, wobei die Antriebsbatterie das kritischste Bauteil darstellt und als deren „Herz“ bezeichnet werden kann. In welche Kategorien lassen sich die Antriebsbatterien von Elektrofahrzeugen einteilen?
1. Blei-Säure-Batterie
Eine Blei-Säure-Batterie (VRLA) ist eine Batterie, deren Elektroden hauptsächlich aus Blei und seinen Oxiden bestehen und deren Elektrolyt eine Schwefelsäurelösung ist. Hauptbestandteil der positiven Elektrode ist Bleidioxid, Hauptbestandteil der negativen Elektrode ist Blei. Im entladenen Zustand besteht der Hauptbestandteil beider Elektroden aus Bleisulfat. Die Nennspannung einer einzelnen Blei-Säure-Batterie beträgt 2,0 V, sie kann bis zu 1,5 V entladen und bis zu 2,4 V geladen werden. In der Praxis werden häufig sechs einzelne Blei-Säure-Batterien in Reihe geschaltet, um eine Blei-Säure-Batterie mit einer Nennspannung von 12 V, aber auch 24 V, 36 V, 48 V usw. zu erhalten.
Nickel-Cadmium-Akkus (oft abgekürzt NiCd, ausgesprochen „Ni-Cad“) sind weit verbreitete Akkumulatoren. Sie nutzen Nickelhydroxid (NiOH) und Cadmiummetall (Cd) zur Stromerzeugung. Obwohl sie leistungsfähiger sind als Bleiakkumulatoren, enthalten sie Schwermetalle und belasten nach ihrer Entsorgung die Umwelt.
Nickel-Cadmium-Akkus lassen sich über 500 Mal laden und entladen, sind wirtschaftlich und langlebig. Ihr geringer Innenwiderstand ermöglicht nicht nur schnelles Laden, sondern auch die Bereitstellung hoher Ströme für die angeschlossenen Verbraucher. Die Spannungsänderung beim Entladen ist minimal, was sie zu einer idealen Gleichstromversorgungsbatterie macht. Im Vergleich zu anderen Akkutypen sind Nickel-Cadmium-Akkus resistenter gegen Überladung und Tiefentladung.
Nickel-Metallhydrid-Batterien bestehen aus Wasserstoffionen und metallischem Nickel. Ihre Energiereserven sind 30 % höher als die von Nickel-Cadmium-Batterien, sie sind leichter, haben eine längere Lebensdauer und sind umweltfreundlich. Allerdings sind sie deutlich teurer als Nickel-Cadmium-Batterien.
Lithiumbatterien verwenden Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung als negatives Elektrodenmaterial und eine nicht-wässrige Elektrolytlösung. Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen Lithiummetallbatterien und Lithium-Ionen-Batterien. Lithium-Ionen-Batterien enthalten kein metallisches Lithium und sind wiederaufladbar.
Lithium-Metall-Batterien sind im Allgemeinen Batterien, die Mangandioxid als positives Elektrodenmaterial, Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung als negatives Elektrodenmaterial und nicht-wässrige Elektrolytlösungen verwenden. Die Materialzusammensetzung einer Lithiumbatterie besteht hauptsächlich aus: positivem Elektrodenmaterial, negativem Elektrodenmaterial, Membran und Elektrolyt.
Bei den Kathodenmaterialien sind Lithiumcobaltat, Lithiummanganat, Lithiumeisenphosphat und ternäre Materialien (Nickel-Cobalt-Mangan-Polymere) am gebräuchlichsten. Das positive Elektrodenmaterial nimmt einen großen Anteil ein (das Massenverhältnis von positivem zu negativem Elektrodenmaterial beträgt 3:1 bis 4:1), da die Eigenschaften des positiven Elektrodenmaterials die Leistung der Lithium-Ionen-Batterie direkt beeinflussen und seine Kosten somit die Gesamtkosten der Batterie bestimmen.
Bei den negativen Elektrodenmaterialien handelt es sich derzeit hauptsächlich um Naturgraphit und Kunstgraphit. Zu den erforschten Anodenmaterialien zählen Nitride, PAS, Zinnoxide, Zinnlegierungen, Nano-Anodenmaterialien und einige andere intermetallische Verbindungen. Als eine der vier Hauptkomponenten von Lithiumbatterien spielen negative Elektrodenmaterialien eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Batteriekapazität und der Zyklenstabilität und sind zentral für die Lithiumbatterieindustrie.
Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Energiewandlungsgerät, das ohne Verbrennung arbeitet. Die chemische Energie von Wasserstoff (und anderen Brennstoffen) sowie Sauerstoff wird kontinuierlich in elektrische Energie umgewandelt. Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass H₂ unter Einwirkung des Anodenkatalysators in H⁺ und e⁻ oxidiert wird. Die H⁺-Ionen gelangen durch die Protonenaustauschmembran zur positiven Elektrode, reagieren dort mit O₂ zu Wasser an der Kathode, und die e⁻ gelangen über den externen Stromkreis zur Kathode. Diese kontinuierliche Reaktion erzeugt einen Strom. Obwohl der Begriff „Batterie“ oft verwendet wird, handelt es sich bei der Brennstoffzelle nicht um einen Energiespeicher im herkömmlichen Sinne, sondern um ein Gerät zur Stromerzeugung. Dies ist der größte Unterschied zwischen Brennstoffzellen und herkömmlichen Batterien.
Thermoschockprüfkammer: Diese Kammer simuliert schnelle Temperaturänderungen, denen Batterien im Betrieb ausgesetzt sein können. Durch die Belastung der Batterien mit extremen Temperaturschwankungen, wie z. B. einem schnellen Wechsel von hohen zu niedrigen Temperaturen, können wir ihre Leistung und Zuverlässigkeit unter diesen Bedingungen bewerten.
Alterungstestkammer mit Xenonlampen: Dieses Gerät simuliert Sonnenlichtbedingungen, indem es die Batterien intensiver Lichtstrahlung von Xenonlampen aussetzt. Diese Simulation hilft, die Leistungsverschlechterung und Lebensdauer der Batterie bei längerer Lichteinwirkung zu beurteilen.
UV-Alterungsprüfkammer: Diese Kammer simuliert ultraviolette Strahlung. Durch die Bestrahlung der Batterien mit UV-Licht können wir ihre Leistung und Lebensdauer unter längerer UV-Bestrahlung simulieren.
Die Kombination dieser Testgeräte ermöglicht umfassende Ermüdungs- und Lebensdauertests von Batterien. Wichtig ist, dass vor der Durchführung dieser Tests die geltenden Sicherheitsrichtlinien eingehalten und die Bedienungsanleitung der Testgeräte genau befolgt werden, um genaue und sichere Testverfahren zu gewährleisten.
Veröffentlichungsdatum: 12. September 2023
