Eine Studie der Autovista Group, TÜV Rheinland und TWAICE hat hervorgebracht, dass auch die Nutzung eine Rolle bei der Batterie Degradation spielt. Alle Ergebnisse der Studie, wie man die Batterie Degradation vorbeugen kann und wieso es wichtig ist, auch die Batterie des Elektroautos gut zu behandeln, erfährt man in diesem Artikel.
Was ist der Unterschied zwischen Akku und Batterie?
Der wesentliche Unterschied zwischen einer Batterie und einem Akku besteht darin, dass eine Batterie nicht wieder aufgeladen werden kann. Akkus sind aber wiederaufladbar.
Der Begriff Batterie steht oft als Übergriff für Energiespeicher, weshalb jeder Akku auch als Batterie bezeichnet werden kann, aber nicht jede Batterie als Akku. Streng genommen stimmt deshalb sowohl die Bezeichnung Batterie als auch Akku für das Elektroauto. In dem Artikel verwenden wir hauptsächlich den Begriff Batterie, da dieser im Volksmund eher gebräuchlich ist.
Auch Batterien sollte man gut behandeln
Die Behandlung der Batterien ist das Wichtigste, da diese eine große Rolle bei der Batterie Degradation spielt. Dies kann man in gewissermaßen mit einem Smartphone gleichsetzen. Beim Kauf funktioniert alles einwandfrei und nach einiger Zeit wird die Batterieleistung schlechter und man überlegt sich, ein neues Handy zu kaufen. Dies ist natürlich kein allzu großer Kostenaufwand verglichen mit dem eines Elektroautos.
Batterie Degradation – Diese Effekte fallen auf
Während die Batterie eines Elektroautos arbeitet und älter wird können vor allem zwei Effekte beobachtet werden:
- Die Kapazität der Batterie nimmt ab (die Reichweite nimmt ab)
- Der innere Widerstand nimmt zu (dadurch kommt es zu einem Leitungsverlust)
Eine typische Kfz-Lithium-Ionen-Batterie oder ein Batteriepack, umfasst normalerweise seriell angeschlossene Module, die aus Zellen bestehen. Die Zellen bestehen aus unterschiedlichen Materialien, die miteinander interagieren müssen für die optimale Batterieleistung. Im Laufe der Zeit werden die Auswirkungen der physikalisch-chemischen Effekte in den Zellen den Alterungsprozess beeinflussen. Negative Veränderungen der Lithium Ionen Zellen können Aufkommen an:
- Der Anode
- Der Kathode
- Den Elektrolyten
- Dem derzeitigen Kollektor / Abholer
- Dem Trenner
Batterie Degradation – durch was kommt sie Zustande?
Viel Zeit und Anstrengung wird in die Beurteilung der Batterie Degradation gesteckt. Informationen zum Zustand der Batterie sind in nur in sehr allgemeiner Hinsicht abrufbar. Das Batterie Management System (BMS) wird nur eine Nummer zur Verfügung stellen, wie beispielsweise 89 %.
Auf den ersten Blick sagt dies aus, dass 89% der anfänglichen Kapazität noch verwendbar sind. Dabei stellt sich nur die Frage: Ist das eine gute Leistung für die Batterie? Diese Art von Informationen allein ist kein zuverlässiger Indikator für die Batteriealterung. Denn was bedeuten diese 89 Prozent?
Über die fehlenden 11% kann keine genaue Aussage gemacht werden, wo sie fehlen oder an welcher Stelle es zu dem Verlust kam. Deshalb benötigt man spezifischere Informationen.
Die Ursachen der Batterie Degradation
Eine reduzierte Batterie Kapazität kann unterschiedliche Ursachen haben und diese werden sich wiederum unterschiedlich auf die verbleibende Nutzungsdauer der Batterien auswirken. Auto- sowie Batteriehersteller haben die Notwendigkeit erkannt, die Batterie Degradation besser verstehen zu müssen.
Dabei wurden schon zwei Arten identifiziert:
- Zyklisch (Alterung ergibt sich aus der Batterienutzung)
- Kalendarisch (Alterung resultiert aus chemischen Prozessen, wenn die Batterie nicht benutzt wird)
Der Zyklische Alterungsprozess wird durch Gebrauchs Bedingungen beeinflusst z.B.: Stressfaktoren durch den Ladedurchsatz, die Temperatur, Leistungsrate, Lade-/Entladehub und Ladezustand und die Art, wie die Batterie geladen wird.
Der kalendarische Alterungsprozess wird durch den Ladezustand und die Lagertemperatur hervorgerufen. Bei Elektroautos manifestiert sich die Batterie Degradation in zwei Weisen:
- Die Batteriekapazität beginnt zu sinken, was die Reichweite eines Elektroautos reduziert und
- Interner Widerstand innerhalb der Zelle erhöht sich, was die Leistung schwächt, wie z.B. Beschleunigung und Aufladen
Manche Batterie Degradations-Mechanismen können durch den Verbraucher entstehen, andere nicht.
Lithium-Ionen Beschichtung
Lithium (Li-) Beschichtung ist eine der kritischsten Abbaumechanismen. Auch bekannt als Lithiumabscheidung, wird der Aufbau von metallischem Lithium um die Anode des Lithium-Ionen-Akkus vor allem beim (Schnell-) Laden behandelt.
Dies hat zwei Effekte: eine Erhöhung der inneren Widerstandsfähigkeit und Verlust von Lithium-Inventar also Kapazität. Sie wirkt sich daher nachteilig auf Leistung als auch die Kapazität aus. Letztlich kann Li-plating eine tödliche Wirkung auf den Akku haben. Mit zunehmendem Anteil an Li-plating, nimmt die Kapazität der Batterie rasch ab.
Diese so genannte nichtlineare Alterung tritt gegen Ende der Batterielebensdauer auf, kurz bevor sie unbrauchbar wird. Dieses Abnehmen ist so gravierend, dass die Batterie nicht einmal wiederverwertet werden kann.
Manifestation der Batteriealterung
Ein wichtiger physikalisch-chemischer Effekt sind die Änderungen an der Anode/Elektrolyt-Schnittstelle. Sobald die Anode in Kontakt mit dem Elektrolyt-Lösungsmittel kommt, bildet sich eine Art Filmschicht. Dieser Film wird als Solid Elektrolyt-Interphase (SEI) bezeichnet und umfasst die Produkte der Elektrolytzersetzung.
Das SEI ist immer noch eine der am wenigsten verstandenen Komponenten der Batteriezelle. Obwohl ein SEI entscheidend für die Batterie Sicherheit ist, kann es negative Auswirkungen auf die Batteriealterung haben.
Im Wesentlichen schwächt das Wachstum dieser Schicht die Fähigkeit der Lithium-Ionen Elektrochemisch zu reagieren. Mit der dicker werdenden Schicht reduziert sich die Mobilität von Lithium-Ionen im Elektrolyten und der Innenwiderstand steigt.
Gebundenes Lithium kann im SEI nicht als Speicherung der Energie genutzt werden, was dann zu einer Verringerung der Kapazität führt.
Der Gebrauch und Missbrauch von Batterien
Bei der Verwendung eines Elektroautos sind die beiden Abbauarten zu beachten: zyklische und kalenderbedingte Alterung. Erstere wird maßgeblich vom Nutzerverhalten beeinflusst.
Es liegt auf der Hand, dass ein höherer Energieverbrauch durch schnelles Beschleunigen oder mechanisches Bremsen anstelle von Rekuperation letztlich zu einer Verringerung der Reichweite eines Elektroautos führt – wie bei einem normalen Benziner. Die Batterien müssen dann häufiger aufgeladen werden, was die Gesamtzykluszahl in die Höhe treibt.
Dies bedeutet, dass der Abbau schneller erfolgt. Abhängig von den Betriebsbedingungen, z. B. der Auslastung der Batterien – der Entladetiefe – oder der Umgebungstemperatur, können die Zyklen auch in ihrer Auswirkung auf die Restnutzungsdauer der Batterie unterschiedlich sein.
Da das schnelle Laden heutzutage oft der größte Stressfaktor eines Elektroautos ist, lohnt es sich, auch dieses Element näher zu betrachten. Elektroauto-Fahrer, die lange Strecken zurücklegen und unter Zeitdruck stehen, müssen möglicherweise das Schnellladen regelmäßig nutzen.
Ein Elektroauto-Fahrer hingegen, der ein- bis zweimal wöchentlich mit seinem Auto unterwegs ist, kann problemlos zu Hause regelmäßig laden, ohne die Batterie übermäßig zu belasten. Auch hier spielt die Entladungstiefe eine Rolle. Aber es ist auch wichtig, den Soll-Ladezustand zu betrachten.
Viele Hersteller berechnen das Fahrzeug standardmäßig nur zu 80%. Der Grund ist, dass die Extreme – entweder komplett entladen oder vollständig geladen – den Akku deutlich stärker belasten als der Einsatz in der Mitte des Ladefensters (z. B. 30-60%). Auch hier kommt ein weiterer Effekt ins Spiel – die kalendarische Alterung.
Das Abstellen eines voll aufgeladenen Elektroautos ist nicht ideal. Bei der Lagerung einer Batterie oder dem Parken eines E-Autos sind niedrigere Ladezustände und Temperaturen besser geeignet, um den Degradationsmodus zu verhindern.
Batterie Degradation – Drei Ladeleistungen im Vergleich
Wie festgestellt wurde, sind Batterien empfindlich und mehrere Faktoren (Temperatur, Laufleistung, Geografie, Topografie) beeinflussen ihren Alterungsprozess. Für die Zwecke der von uns vorgestellten Studie wurde sich jedoch auf drei spezifische Faktoren konzentriert – Fahr-, Lade- und Parkverhalten.
Warum? Denn das Nutzungsverhalten des Elektroauto-Fahrers – wie er fährt, mit welcher Intensität er seine Batterie auflädt, wie viel Strom er während der Lenkzeit verbraucht (z. B. Auswirkungen der Nutzung der Klimaanlage) – ist eine wesentliche Determinante der Batterie Degradation.
TWAICE-Batterieexperten entwarfen und führten eine Simulation durch mit dem Ziel, die Auswirkungen der Batteriebehandlung und ihre finanziellen Auswirkungen besser einschätzen zu können.
Es wurden drei Stufen des Behandlungsverhaltens untersucht: schlechtere, durchschnittliche und bessere Batteriebehandlung. Alle beziehen sich auf die Degradation einer Elektroauto-Batterie und haben eine Auswirkung auf diese.
Die Konditionen
Für die Zwecke der Simulation waren die Grenzbedingungen – Temperatur, Laufleistung, Geografie – alle konstant. Hierbei wurde von einer jährlichen Laufleistung von 15.000 km über drei Jahre ausgegangen.
Die Simulation stellt das Fahren in Deutschland dar (keine Geschwindigkeitsbeschränkungen auf weiten Teilen des nationalen Autobahnsystems, gemäßigtes nordeuropäisches Klima).
Tabelle 1: Drei simulierte Behandlungsverhalten
| Fahrer 1 (schlechtere Behandlung) | Fahrer 2 (Durchschnittliche Behandlung) | Fahrer 3 (gute Behandlung) | |
| Allgemeiner Fahrstil | Aggressiv | Normal | Vorrausschauend |
| Benutzung v. Autobahnen | Regulär | Manchmal | Selten |
| Schnellladen | Häufig | Gelegentlich | Nie |
| Aufladen mit einer Entladetiefe > 90% | Häufig | Manchmal | Selten |
| Durchschnittliche Entladungstiefe | Hoch | Mittel | Niedrig |
| Durchschnittlicher Zustand des Ladungsspeicherniveaus | 80% – 100% | 50% – 80% | 30% – 50% |
Fahrer 1
Fahrer 1 stellt eine schlechtere Batteriebehandlung dar. Der generelle Fahrstil kann als aggressiv bezeichnet werden. Diese Art von Fahrer könnte dazu neigen, stark zu beschleunigen, wenn z. B. die Ampel auf Grün schaltet, und praktiziert selten regeneratives Bremsen.
Faktoren wie die Verkehrsbedingungen und die Tageszeit beeinflussen den Grad der „Aggressivität“ – starker Verkehr zum Beispiel reduziert ihn automatisch. Vermutlich unter Zeitdruck und mit vielen zurückzulegenden Kilometern nutzen diese Art von Fahrern die Autobahnen viel, was häufig ein schnelles Aufladen des Elektroautos bedeutet.
Entsprechend hoch ist die durchschnittliche Entladungstiefe. Diese Fahrer könnten durchaus unter „Reichweitenangst“ leiden, was sich auf ihre Entgeltbehandlung auswirkt – die Hauptmotivation besteht darin, nie aus der Reichweite zu laufen.
Fahrer 2
Fahrer 2 ist der durchschnittliche Fahrer, der das durchschnittliche Batterie-Behandlungsverhalten und eine daraus resultierende neutrale Wirkung auf die Batterie-Alterung darstellt.
Diese Fahrer befinden sich in der Grauzone zwischen ihren aggressiven und sanften Pendants. In der Praxis sind sie sich zwar der empfohlenen Bedingungen und Verhaltensweisen für Elektroauto-Fahrer bewusst und versuchen generell, diese einzuhalten. Sie vermischen die Städtereisen mit einigen Langstrecken-Autobahnfahrten.
Fahrer 3
Fahrer 3 liegt am anderen Ende der Skala und zeigt ein besseres Batterie-Behandlungsverhalten. Ein solcher Fahrer kann das Potenzial zur Regenerierung der Energie, ein Konzept, das als Eco-Driving bezeichnet wird, voll ausschöpfen.
Ihr vorausschauender Fahrstil ist sanft, was auf ihren Lebensstil und die ihn beeinflussenden Faktoren zurückzuführen ist: Im Vergleich zu Fahrer 1 fühlen sie sich selten unter Zeitdruck und führen nie Schnellladen durch, vermutlich weil sie es nie brauchen.
Batteriezustand (SoH) im Zeitverlauf
Diese Grafik zeigt die State of Health-Entwicklung einer durchschnittlichen Batterie unter den drei simulierten Behandlungsbedingungen (schlechte, mittlere, bessere Batteriebehandlung). Während alle drei SoH nach dem ersten Jahr einen allmählichen linearen Rückgang aufweisen, zeigt die Grafik deutlich, wie hochintensive Batterien nach 36 Monaten einen beträchtlichen Unterschied – bis zu 4,5% – zur Akkukapazität bewirken können.
Die Simulation ermöglicht auch Vorhersagen über das zu machen was danach passiert. Dort ergeben sich noch größere Unterschiede. Geht man davon aus, dass der Gesundheitszustand von 80% das Lebensende repräsentiert, so ergibt sich eine Differenz von 41% zwischen den schlechteren und den besseren Behandlungen am Lebensende:
| Fahrer 1 | Fahrer 2 | Fahrer 3 | |
| Ende der Batterielebensdauer (SoH bei 80%) | ~ 8,5 Jahre | ~ 10,5 Jahre | ~ 12 Jahre |
Wie kann die Batterie Degradation vermieden werden?
Dieser unerwünschte Effekt kann man durch Aufladen mit mäßigen Strömen, also beispielsweise durch langsames Laden mit Wechselstrom (AC) mit maximal 11kW bis 22kW und Vermeidung sehr niedriger Temperaturen reduziert werden. Zudem sollte man darauf achten, dass Ladezustände unter 10% und über 90% auf ein Minimum reduziert werden und falls notwendig, nicht lange beibehalten werden.
Das ist auch der Grund, warum manche Batterien mit einem 80% verbleibenden Zustand schon vor dem Ende ihrer Lebensdauer stehen, während andere noch Hunderte von Zyklen vor sich haben.
Die „Wohlfühl-Zone“ für Batterien
Die Zelltemperatur ist einer der wichtigsten Einflüsse für die Batterie Degradation. Der Wohlfühlbereich einer Lithium-Ionen-Batterie gleicht dem eines Menschen und liegt bei den meisten handelsüblichen zwischen 20°C und 40°C.
Ein Temperaturanstieg von ca. 10°C führt dazu, dass chemische Prozesse doppelt so schnell laufen wie bisher. Steigt die Temperatur über 40°C an, steigt auch die Alterungsrate schrittweise an, was zu einer deutlich verkürzten erwarteten Lebensdauer führt.
Die umgekehrte Situation kann für Batterien sogar noch schlimmer sein. Das Laden oder Entladen von Lithium-Ionen-Akkupacks bei kalten Temperaturen kann zu Li-Plating und zu schweren Kapazitätsverlusten führen.
Ich bin verwirrt durch den letzten Absatz. Bisher dachte ich, Hitzebedingungen seien tendenziell problematischer als Kältebedingungen. Man hört ja auch bisher nichts Negatives aus Norwegen.
Aus Arizona (Stichwort Ampera) aber schon.
Im Absatz „Wie kann die Batterie Degradation vermieden werden?“ werden mäßige Ladeströme genannt und Vermeidung niedriger Temperaturen. Das also explizit AN DIESER STELLE die durchschnittliche Entladungstiefe NICHT genannt wird, ist Absicht? Oder ist das einfach unglücklich formuliert?
Dass beides negativ ist, ist klar. Mir geht es um die Gewichtung.
Ich habe die Ladezustände in den hohen und niedrigen Bereichen noch ergänzt. Wer den gesamten Artikel liest, hat diese Info aber auch weiter oben schon in der Vergleichstabelle in ähnlicher Form vorliegen.
Bzgl. der Frage nach der Gewichtung möchte ich keine konkrete Aussage treffen. Da es an dieser Stelle auch widersprüchliche Meinungen gibt.
Danke für den ausführlichen Artikel! Ich habe eine Frage zur Quantifizierung der Ladeströme:
Kann man den Aspekt „kleine Ladeströme“ konkreter machen? „Aufladen mit mäßigen Strömen“ bedeutet ja sicherlich für kleine und große Akkus etwas anderes. Welche Ladeleistung (relativ zur Kapazität des Akkus) entspricht einem „mäßigen Ladestrom“?
Konkret: Nehmen wir an, wir haben einen 50kWh Akku im Auto. Sind die 11kW dreiphasiges Wechselstromladen dann schon „mäßig“ oder noch „gering“? Sind 30kW Gleichstromladen (das ist was viele „Schnelladesäulen“ in der Praxis liefern) noch „mäßig“ oder schon „hoch“ ? Auf anderen Webseiten ließt man vom „C-Wert“, das ist „Ladestrom in kW / Akkukapazität in kWh“. Der C-Wert soll kleiner 1 sein, das hieße für unseren 50kWh Akku: bis zu 50kW Ladeleistung ist ok. Was ist Ihre Einschätzung?
Ob man den „kritischen“ Wert errechnen kann, dass sei mal dahingestellt. Für den Akku ist es unserer Einschätzung nach am schonendsten, wenn er mit einer langsamen Ladegeschwindigkeit von beispielsweise 11kW an einer Wallbox geladen wird. Das habe ich so nun auch im Artikel ergänzt.
Sehr informativer Artikel.
Ich habe schon mehrfach die Frage ins Netz gestellt, was die Autobauer ‚anders‘ machen, die mittels 800 Volt System die Ladung eines großen Akkus von 20 auf 80 % in 20 Minuten ermöglichen, z.B. Hyundai mit dem Ioniq 5. Eine Antwort habe ich noch nicht bekommen (oder nur übersehen 😉). Für mich als Laien widersprechen diese wahnwitzigen Ladevorgänge dem oben Gesagten, was für mich aber kaum vorstellbar ist…
Ob 800V oder 400V ist auf der Zellebene egal.
Entscheidend für die Degradation ist die Ladeleistung und Zelltemperatur beim Laden / Entladen.
-Hohe Ladeleistungen > 1C fördern grundsätzlich die Degradation. Genauso wie lang anhaltende hohe / tiefe Ladestände.
-Beim Schnelladen >2C muss die Batterie rund 30-40°C warm sein. Sonst wird die ggf. Ladeleistung reduziert und sie degradiert noch schneller.
-Dito bei grosser Leistungsentnahme >3C, dort sind 30°C etwa das Minimum
-Im normalen Betrieb, also beim normalen Entladen, sollte die Batterie kühl sein. <20°C
Das verringert die Degradation.
Kühl ist nicht das Problem wenn man nicht bei tiefem Ladestand ein Beschleunigungsrennen macht. Temperaturen über 45°C sind Batterienkiller.
Achtung: Lithium Ferrit Batterien, wie sie BYD verwendet, sind weniger empfindlich und degradieren auch weniger. Dafür ist die Kapazität & Leistung geringer.
Die Degradationseffekte und was man dagegen macht, kennt man übrigens schon seit Jahrzehnten aus dem RC Modellbau.
Warum spricht man eigentlich von einer Batterie und nicht von einem Akku?
Die Bezeichnung Batterie wird umgangssprachlich häufiger verwendet. Aber danke für den Hinweis, wir werden die beiden Begriffe demnächst im Artikel voneinander abgrenzen.