Das
Elektrofahrzeug (EV) |
Zur Zeit (2010) scheint sich anzudeuten, dass ein
wesentlicher Fortschritt in der Akkumulatorentwicklung für
Elektrofahrzeugen nur bei den Lithium-Polymer-Akkus
(LiPo) erwarten werden kann. Dass das Alkalimetall Li
als chemisch aktive Substanz besonders geeignet ist, ist
nicht überraschend: Es steht in der elektrochemischen
Spannungsreihe am weitesten links auf der negativen Seite,
d.h. es verliert besonders leicht Elektronen gemäß der
Reaktion
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Bei den meisten LiPo-Akkus wird
auf der Anodenseite das Lithium in eine Grafitmatrix
eingebettet. Besonders leistungsstark scheinen aber
Akkus zu sein, wenn die Anode (meistens
Kupfer) mit reinem Lithium beschichtet wird.
Derartige Akkus werden als LMP-Akkumulatoren
(Lithium-Metall-Polymer) bezeichnet. Die Elektroden
werden geladen mithilfe einer elektrochemischen
Reaktion, wie z.B.
Anode (Cu):
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xLi
|
->
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xLi+
+ xe-
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Separator:
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Li+ leitend
|
|
|
Kathode (Al):
|
Li1-xCoO2
+ xLi+
|
->
|
LiCoO2 -
xe- |
Als
Li+
leitender
Separator wird ein Polymerelektrolyt verwendet, z.B.
Polyethylenoxid. Der LMP-Akku ist daher ein
Feststoffakkumulator. Seine Vorteile sind, dass er
ausschließlich aus Werkstoffen besteht, die leicht
erhältlich und ungefährlich für unsere Umwelt sind.
Außerdem ist dieser Typ der LiPo-Akkus sehr
betriebssicher, auch dann, wenn er beschädigt
wird. Der Separator
wird im allgemeinen aber erst bei höheren als der
Zimmertemperatur leitend. Der Akku muss in diesem Fall
geheizt werden und sein Speicherwirkungsgrad nimmt ab.
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Bis 2021 wurden
LiPo-Akkus für in
der EU verkaufte EVs in wesentlichen in Korea und
Japan hergestellt: Z.B. hatten der Renault ZOE, der
VW ID.3 und der Audi e-tron alle Akkus des
koreanischen Herstellers LG, der Akku des Tesla
Model 3 wurden vom japanischen Hersteller Sumitomo
geliefert. In Zukunft soll sich das ändern. In Deutschland allein
sollen Werke in Grünheide
(Tesla), Salzgitter(Notrhvolt Zwei),
Bitterfeld(Farasis), Erfurt(CATL),
Kaiserslautern(ACC) und Überherrn(SVOLT
Energy) entstehen. Denn bisher wurde der Markt
für derartige Akkumulatoren in Europa offensichtlich
beherrscht von nur 2 Herstellern, Bastcap
in Frankreich und DBM1)
in Deutschland, deren Entwicklungsarbeiten besonders auf
den EV-Sektor zielten. Die für diesen Sektor kritischen
Daten sind in der Tabelle unten zusammengestellt.
Hersteller |
gespeicherte
Energie (kWh)
|
spez. Energie
(kWh kg-1)
|
Temperatur
(oC)
|
Lade/Entlade-
Zyklen
|
Fahrtstrecke
pro Zyklus (km)
|
Bascap |
30
|
0.10
|
60 - 80
|
3300
|
200
|
DBM
|
99
|
0.30
|
Umgebung?
|
2500
|
600
|
Über die Kosten für diese
Akkumulatoren ist nichts bekannt, man kann bei
Akkumulatoren auf Li Basis aber wohl mit 100 € pro
gespeicherter kWh rechnen.
Die Besonderheit von DBM scheint zu sein, dass es dieser
Firma gelungen ist, einen Separator zu entwickeln, der
schon bei Umgebungstemperatur für Li + Ionen
sehr gut leitend ist. Und dieser Akkumulator besitzt
eine extrem große spezifische Energie.
Natürlich lässt die angegebene Fahrtstrecke von 600 km
bei einer Akkumulatorfüllung aufhorchen. Aber diese
Angabe lässt sich anhand eines Beispiels nachprüfen.
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Als Beispiel habe ich den
Audi A2 gewählt, der auch von DBM bei der Fahrt von
München nach Berlin benutzt wurde. Die minimale Leistung,
die der Akkumulator erbringen muss, wird benötigt, um den
Fahrwiderstand ( Luftwiderstand Fw und Rollwiderstand FR) zu
überwinden2).
- Luftwiderstand:
= 0.4 v2 N
(Newton mit [v]
= m s-1)
- Rollwiderstand:
= 185 N
(Newton)
Die Zahlenangaben wurden aus den Herstellerdaten berechnet,
der Fahrwiderstand nimmt mit der Fahrgeschwindigkeit v quadratisch zu.
Aus dem
Fahrwiderstand ergibt sich die minimal3)
zu erbringende Leistung Pmin :
Pmin
= ( Fw
+ FR)
v,
welche mit der
gespeicherten Energie W verglichen werden muss:
Pmin
= (W/R) v ->
Fahrstrecke R
= (W/Pmin)
v.
(1)
Falls in dieser Beziehung für W die
Einheit kWh, für Pmin die Einheit
kW und
für v
die Einheit km h -1 gewählt werden,
ergibt sich R
mit der Einheit km. Das Ergebnis für W = 99 kWh,
in Abhängigkeit von v, ist in der Abbildung rechts
dargestellt.
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![](9-5-5-2-01.gif)
Die Abhängigkeit
der Fahrstrecke von der Fahrgeschwindigkeit bei
minimaler Leistungsabgabe eines elektrischen Audi
A2
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Nach dieser Abbildung ist es nicht ausgeschlossen, dass der
Audi A2 mit dem oben spezifizierten DBM-Akkumulator in der
Tat die Strecke München - Berlin (600 km) ohne erneute
Aufladung geschafft hat. Natürlich bei Geschwindigkeiten v < 100 km/h und
ohne zusätzliche Ausstattung - z.B. darf die Klimaanlage bei
dieser Fahrt nicht eingeschaltet gewesen sein.
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Die Beziehung (1) macht
eindeutige Aussagen darüber, welche Anforderungen das
Elektroauto der Zukunft wird erfüllen müssen, um eine
Fahrstrecke von mehr als 500 km zu erreichen:
- Die Akkumulatorkapazität muss von der Größenordnung
100 kWh sein und der Preis für den Akkumulator sollte 50
€ pro kWh nicht überschreiten,
- die zu erbringende Leistung muss minimal sein
(möglichst geringer Fahrwiderstand und wenig zusätzliche
Leistung für den Fahrkomfort),
- die Fahrgeschwindigkeit wird nur in der Größenordnung
von 100 km/h liegen.
Ganz unabhängig davon gilt natürlich, dass ein Elektroauto
seinen Energiebedarf auch decken muss, es bezieht
seine Energie nur aus einer anderen Quelle als von der
Benzinsäule. Über die Aussicht, dass das Elektroauto schon
bald Realität werden könnte, wird nicht jeder glücklich
sein. Denn für den Lebensstil der Menschen bedeutet dies ein
"weiter so", obwohl die zu erwartende Energieverknappung
eigentlich die Veränderung des gewohnten Lebensstils
erfordert.
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1)
Offensichtlich existiert diese Firma nicht mehr - ein
weiteres Beispiel für die unlauteren Geschäftspraktiken in
dieser Branche für erneuerbare Energien.
2) Die Bedeutung der Symbole, die in
den folgenden Beziehungen verwendet werden, sind in Energie2 erklärt.
3) Dies gilt für die Fahrt auf einer Ebene und
bei Windstille. Bei der Fahrt auf einer Steigung mit
Steigungswinkel muss die
folgende Beziehung erweitert werden zu Pmin = (Fw + k FR) v
mit . Da immer k > 1 für 0o
< < 90o, muss
bei konstantem Pmin
die Geschwindigkeit auf der Steigung kleiner werden. |