Woraus bestehen die Batterien von Elektroautos?

Zurück zu den Artikeln

Letzte Aktualisierung: 24.4.2023 EVBox

Eine EV-Batterie besteht typischerweise aus Tausenden von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zellen, die miteinander verbunden sind, um das Batteriepaket zu bilden. Lithium-Ionen-Zellen sind aufgrund ihrer Kosteneffizienz am beliebtesten und bieten das optimale Gleichgewicht zwischen Energiespeicherkapazität und Preis.

Der Aufstieg der Elektromobilität und die Produktion von EV-Batterien

Mit dem kontinuierlichen Aufstieg der Elektromobilität boomt die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) und damit auch nach EV-Batterien. Dies wirft die Frage auf, wie Batteriehersteller diese wachsende Nachfrage decken können und welche Materialien zur Herstellung einer EV-Batterie benötigt werden.

In diesem Artikel beleuchten wir die für EV-Batterien verwendeten Materialien und den Herstellungsprozess im Detail. Wir werden auch aufzeigen, wer die Hauptproduzenten von EV-Batterien sind und was die wachsende Kluft zwischen Angebot und Nachfrage für die Zukunft von EV-Batterien bedeutet.

Woraus bestehen EV-Batterien?

Batterien gibt es in vielen verschiedenen Formen und Größen. Von der Form der Zellen bis hin zu ihrer Chemie haben Hersteller von Elektrofahrzeugen mehrere Batterieoptionen. Bevor wir uns mit den Materialien beschäftigen, aus denen Batterien bestehen, ist es zunächst wichtig, die verschiedenen Arten physischer Zellstrukturen zu verstehen.

Die verschiedenen Arten von Batteriezellen

Es gibt drei grundlegende Arten von Batteriezellen, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden: zylindrische Zellen, prismatische Zellen und Pouch-Zellen.

1. Zylindrische Zellen Wahrscheinlich das am häufigsten verwendete Format, zylindrische Zellen sind, wie der Name schon sagt, in einem zylindrischen Gehäuse untergebracht, das ihnen Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Stöße verleiht – sehr ähnlich wie typische Haushaltsbatterien vom Typ AA oder AAA. Aufgrund der langjährigen Nutzung dieses Formats sind zylindrische Zellen die kostengünstigsten und am einfachsten herzustellen. Allerdings können zylindrische Zellen in ihrer Leistungsabgabe etwas eingeschränkt sein, weshalb Elektrofahrzeuge mit kleineren Batterien oft prismatische oder Pouch-Zellen verwenden.
2. Prismatische Zellen Im Gegensatz zu zylindrischen Zellen, die relativ klein sind (etwa die Größe einer AA-Batterie), können prismatische Zellen 20- bis 100-mal größer sein. Da sie weniger Material für das Gehäuse verwenden, können prismatische Zellen mehr Energie speichern und eine höhere Leistung liefern, während sie die Wärme besser managen als zylindrische Zellen. Obwohl sie weniger verbreitet sind als zylindrische Zellen, nimmt ihre Nutzung stetig zu, und sie könnten in den kommenden Jahren einen bedeutenden Marktanteil erobern.
3. Pouch-Zellen Pouch-Zellen sind in einem weichen Kunststoffgehäuse untergebracht, was sie in Bezug auf die Raumausnutzung sehr effizient macht. Allerdings bedeutet ihr fragiles Gehäuse, dass sie in der Regel zusätzlichen Schutz benötigen, um mechanische Schäden an den Zellen zu vermeiden.

Welche Materialien sind für EV-Batterien am beliebtesten?

Neben ihrem Format variieren EV-Batteriezellen auch je nach ihrer Chemie, d. h. den Materialien, die zur Speicherung von Elektrizität verwendet werden.

Während Lithium-Ionen (Li-Ion) aufgrund ihrer relativ niedrigen Kosten und hohen Energiespeicherkapazität am weitesten verbreitet sind, gibt es auch andere beliebte Batteriechemien.

Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und Nickel-Metallhydrid (Ni-MH) waren in frühen Elektrofahrzeugen aufgrund ihrer Erschwinglichkeit, langen Lebensdauer und relativ hohen Kapazität beliebt. Ältere Hybride wie der Toyota Prius und der RAV4 verwendeten häufig NMC- oder Ni-MH-Batterien.

Eine der ältesten Batteriearten, die in Autos verwendet wird, sind Blei-Säure-Zellen. Jahrzehnte bevor sie in Elektrofahrzeugen eingesetzt wurden, wurden – und werden immer noch – Blei-Säure-Batterien in Benzin-Fahrzeugen verwendet, um deren Zündsysteme zu betreiben.

Im Gegensatz zu den meisten anderen Arten von EV-Batterien können Blei-Säure-Zellen leicht von Automechanikern repariert und ersetzt werden und erfordern in der Regel nur sehr wenig Wartung. Allerdings können sie nicht so viel Energie speichern wie andere Zelltypen, was sie für die Stromversorgung größerer Elektrofahrzeuge unpraktisch macht.

Woraus bestehen Lithium-Ionen-Batterien?

Es überrascht nicht, dass Lithium-Ionen-Batterien Lithium enthalten. Aber haben Sie sich jemals gefragt, welche anderen Materialien benötigt werden, um eine Li-Ion-Batterie herzustellen?

Die Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie erfordert mehrere Schichten. Wie andere Batterien haben Li-Ion-Batterien eine positiv geladene Kathode, eine negativ geladene Anode und einen Elektrolyten, der sie trennt. Die Kathode besteht typischerweise aus einer Mischung aus Lithium, Nickel, Kobalt und Mangan, während die Anode meist aus Graphit gefertigt wird.

Schließlich sind die einzelnen Zellen in einem Aluminium- oder Stahlgehäuse eingeschlossen, das die Batterie zusammenhält und vor mechanischen Schäden schützt.

Welche Komponenten werden für eine Batterie benötigt?

Neben den Rohstoffen, aus denen die Zellen bestehen, benötigt eine EV-Batterie viele weitere Hardware- und Softwarekomponenten, um funktionsfähig zu sein. Schauen wir uns die Hauptmerkmale einer EV-Batterie an.

Batteriemodul-Array Das Batteriemodul-Array ist der technische Begriff, der sich auf die Energiespeicherkomponenten der Batterie bezieht. Dazu gehören die zuvor erwähnten Zellen, die in Module gruppiert sind, wobei jedes Modul eine bestimmte Anzahl von Zellen enthält, die miteinander verdrahtet sind. Diese Module werden dann verbunden, um das endgültige vollständige Batteriepaket zu bilden (worauf die meisten Menschen normalerweise verweisen, wenn sie von einer EV-Batterie sprechen).

Batteriemanagementsystem (BMS) Das BMS eines Elektrofahrzeugs ist vielleicht der grundlegendste Teil seiner Batterie. Es steuert jeden Aspekt der Batterie und gewährleistet deren optimalen Betrieb. Es überwacht und reguliert den Ladezustand jeder Zelle, entscheidet, welche Zellen geladen oder entladen werden, und verfolgt die Temperatur der Batterie.

Falls die Batterie anormal arbeitet, kann das BMS automatisch den Energieverbrauch anpassen, um die Batterie zu schützen, und gegebenenfalls den Fahrer alarmieren.

Elektrisches System der Batterie Das elektrische System der Batterie umfasst alle Kabel, Verbindungen, Sicherungen und anderen elektrischen Komponenten, die für den Betrieb einer EV-Batterie erforderlich sind. Es ist für hohe Spannungen ausgelegt und in der Regel in das Batteriemanagementsystem integriert, um jede Zelle effizient zu verwalten.

Batteriekühlsystem Genau wie die Batterie Ihres Telefons oder Laptops erwärmen sich auch EV-Batterien bei Gebrauch. Aufgrund ihrer Größe können Elektroautobatterien viel Wärme erzeugen, die abgeführt werden muss – dies ist die Aufgabe des Batteriekühlsystems. Typischerweise handelt es sich um ein versiegeltes Kühlmittel, das die Wärme von den Batteriezellen abführen und in die Luft ableiten kann.

Batterieschutzgehäuse Schließlich benötigt die Batterie eine physische Struktur, um alle ihre Komponenten zusammenzuhalten. Dies ist die Rolle des Batterieschutzgehäuses. Obwohl seine Funktion einfach erscheinen mag, muss sein Design sicherstellen, dass es dicht, stoßfest und widerstandsfähig gegen verschiedene Vibrationen ist, was seine Konstruktion weitaus komplexer macht, als es scheint.

Wer stellt sie her?

Da die Produktion von EV-Batterien eine ressourcen- und kapitalintensive Tätigkeit ist, liegt der Großteil der weltweiten Batterieproduktion in den Händen weniger Unternehmen.

Der weltweit führende Hersteller von EV-Batterien ist CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Limited), ein chinesisches Unternehmen, das etwa 34 % des gesamten Marktanteils bei EV-Batterien hält. Dies ist nicht überraschend, da China 70 % der Produktionskapazität für Kathoden und 85 % für Anoden ausmacht und mehr als die Hälfte der für die Herstellung einer EV-Batterie verwendeten Rohmineralien ebenfalls aus China stammt.

Der zweitgrößte Hersteller ist LG Energy Solution mit einem Marktanteil von 14 %. Kürzlich kündigten sie eine Partnerschaft mit Honda an, um 4,4 Milliarden US-Dollar in den Bau einer EV-Batterieproduktionsanlage in den USA zu investieren, die voraussichtlich um 2025 mit der Produktion beginnen wird.

Der drittgrößte Hersteller ist BYD, ein chinesisches Unternehmen mit einem Marktanteil von 12 %. Im Gegensatz zu vielen seiner Konkurrenten ist BYD auch ein Hersteller von Elektrofahrzeugen, was bedeutet, dass es den Großteil seines eigenen Bedarfs an Batterien und EV-Systemen decken kann.

Die Vereinigten Staaten, Japan und Südkorea machen den Rest des EV-Batteriemarktes aus und repräsentieren jeweils 7 %, 11 % und 14 % der weltweiten EV-Batterieproduktion.

Es ist klar, dass China der dominierende Akteur in der Herstellung von EV-Batterien ist. Während die USA und die EU versuchen, die Produktion durch Initiativen des öffentlichen Sektors zu steigern, wird China voraussichtlich mindestens bis 2030 der Hauptlieferant von EV-Batterien bleiben.

Angebots- und Nachfragekluft

Angetrieben durch das explosive Wachstum der Elektromobilität stehen EV-Hersteller vor Herausforderungen bei der Beschaffung der für die Herstellung eines Elektrofahrzeugs benötigten Rohstoffe, insbesondere Batterien. Seit Anfang 2020 kämpft der Automobilsektor mit anhaltenden Engpässen bei Computerchips, die weiterhin die Preise und die Herstellungskosten eines EVs beeinflussen. Zusätzlich zu den bestehenden Lithiumknappheiten zeichnet sich eine weitere Knappheit bei Mineralien ab – die von Graphit.

Graphit ist die Hauptkomponente der Anode einer EV-Batterie, und Engpässe könnten die Produktionskosten von EV-Batterien weiter erhöhen.

Die Zukunft der EV-Batterien

Angesichts von Nachrichten über Engpässe und Preissteigerungen fragt man sich natürlich, wie die Zukunft der EV-Batterien aussieht.

Neben dem Abbau weiterer Rohstoffe ist das Recycling von EV-Batterien ein vielversprechender Weg, der viele Mineralien aus alten Batterien zurückgewinnt und sie für die Produktion neuer Batterien wiederverwendet. Dies kann nicht nur viele der aktuellen Engpässe lindern, sondern macht die Produktion von EV-Batterien auch deutlich nachhaltiger.

Neben dem Recycling versprechen neue Forschungen, die Leistung von EV-Batterien zu verbessern, sie effizienter zu machen und dadurch weniger Rohstoffe zu verbrauchen.

Die Herstellung von EV-Batterien ist ein komplexer Prozess, der zunehmend seltene Materialien verwendet und Fachwissen erfordert, das nur wenige Hersteller besitzen. Dennoch sollten Fortschritte im Batterierecycling und in der Forschung zu effizienteren Batterien in Kombination mit politischen Anstrengungen zur Förderung der weltweiten Produktion sicherstellen, dass EV-Batterien in den kommenden Jahren erschwinglich und verfügbar bleiben.

Wenn Sie mehr über EV-Batterien erfahren möchten, lesen Sie unsere speziellen Artikel zu ihren Kosten oder wie sie recycelt werden können.