Batterien für Elektrofahrzeuge

Elektrofahrzeuge sind auf Energiespeichersysteme angewiesen, insbesondere auf Batterien. Diese werden auch in Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEVs) und Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) verwendet.

Arten von Energiespeichersystemen

Die folgenden Energiespeichersysteme werden in Elektrofahrzeugen, PHEVs und HEVs eingesetzt.

Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien werden derzeit in den meisten tragbaren Elektronikgeräten wie Mobiltelefonen und Laptops verwendet. Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte im Verhältnis zur Masse und zum Volumen aus. Außerdem haben sie ein hohes Leistungs-Gewicht-Verhältnis, eine hohe Energieeffizienz, gute Leistung bei hohen Temperaturen, eine lange Lebensdauer und eine geringe Selbstentladung. Die meisten Elektrofahrzeuge und PHEVs verwenden Lithium-Ionen-Batterien, wobei die genaue Chemie oft von der der Batterien in Consumer-Elektronik abweicht. Die Forschung konzentriert sich darauf, die vergleichsweise hohen Kosten zu senken, die Lebensdauer zu verlängern, weniger Kobalt zu verwenden und Sicherheitsbedenken im Hinblick auf verschiedene Fehlerzustände zu adressieren.

Nickel-Metallhydrid-Batterien

Nickel-Metallhydrid-Batterien, die häufig in Computern und medizinischen Geräten zum Einsatz kommen, bieten eine angemessene spezifische Energie- und spezifische Leistungsfähigkeit. Sie haben eine viel längere Lebensdauer als Blei-Säure-Batterien und sind sicher und toleranter gegen Missbrauch. Diese Batterien werden häufig in HEVs eingesetzt. Die Hauptprobleme bei Nickel-Metallhydrid-Batterien sind ihre hohen Kosten, ihre hohe Selbstentladungsrate, die Wärmeerzeugung bei hohen Temperaturen und der Wasserstoffverlust.

Blei-Säure-Batterien

Blei-Säure-Batterien können als Hochleistungsbatterien ausgelegt werden, sind kostengünstig, sicher, recycelbar und zuverlässig. Allerdings beeinträchtigen die geringe spezifische Energie, die schlechte Leistung bei niedrigen Temperaturen sowie die kurze Lebensdauer ihre Verwendungsmöglichkeiten. Fortschrittliche Hochleistungs-Blei-Säure-Batterien werden entwickelt, aber diese Batterien werden nur in kommerziell erhältlichen Elektroantriebfahrzeugen für Nebenlasten verwendet. Sie werden auch für die Start-Stopp-Funktion in Verbrennungsmotorfahrzeugen eingesetzt, um Leerlaufzeiten während Stopps zu vermeiden und den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.

Ultrakondensatoren

Ultrakondensatoren speichern Energie in der Grenzfläche zwischen einer Elektrode und einem Elektrolyten, wenn eine Spannung angelegt wird. Die Energiespeicherkapazität nimmt mit zunehmender Elektrolyt-Elektroden-Oberfläche zu. Obwohl Ultrakondensatoren eine geringe Energiedichte aufweisen, haben sie eine sehr hohe Leistungsdichte, was bedeutet, dass sie große Mengen an Leistung in kurzer Zeit liefern können. Ultrakondensatoren können Fahrzeugen zusätzliche Leistung während Beschleunigung und Bergauffahrten liefern und helfen, Bremsenergie zurückzugewinnen. Sie können auch als sekundäre Energiespeicher in Elektroantriebfahrzeugen nützlich sein, da sie dabei helfen, elektrochemische Batterien auf Leistungsebene auszugleichen.

Recycling von Batterien

Elektroantriebfahrzeuge sind noch relativ neu auf dem US-Automarkt, daher erreichen nur wenige von ihnen das Ende ihrer Nutzungsdauer. Mit zunehmender Verbreitung von Elektroantriebfahrzeugen könnte auch der Markt für Batterierecycling wachsen.

Ein weit verbreitetes Batterierecycling würde dazu beitragen, dass gefährliche Materialien sowohl am Ende der Nutzungsdauer einer Batterie als auch während ihrer Produktion nicht in den Abfall gelangen. Das US-Energieministerium unterstützt den Lithium-Ionen-Batterierecycling-Preis, um rentable Lösungen für die Sammlung, Sortierung, Lagerung und den Transport von verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien zur späteren Wiederverwertung und Materialrückgewinnung zu entwickeln und zu demonstrieren. Nach der Sammlung von verbrauchten Batterien würde das Materialrecycling auch kritische Materialien wieder in die Lieferkette einführen und die Inlandsquellen für solche Materialien erhöhen. Es wird daran gearbeitet, Batterierecyclingverfahren zu entwickeln, die die Lebenszyklus-Auswirkungen der Verwendung von Lithium-Ionen- und anderen Batterien in Fahrzeugen minimieren. Allerdings sind nicht alle Recyclingverfahren gleich und unterschiedliche Trennmethoden sind für eine Materialrückgewinnung erforderlich:

• Schmelzverfahren: Schmelzverfahren stellen grundlegende Elemente oder Salze wieder her. Diese Verfahren sind im großen Maßstab einsatzbereit und können verschiedene Arten von Batterien akzeptieren, einschließlich Lithium-Ionen- und Nickel-Metallhydrid-Batterien. Die Schmelzverarbeitung erfolgt bei hohen Temperaturen, bei denen organische Materialien, einschließlich Elektrolyt und Kohleanoden, als Brennstoff oder Reduktionsmittel verbrannt werden. Die wertvollen Metalle werden zurückgewonnen und zur Raffination geschickt, um das Produkt für jede Verwendung geeignet zu machen. Die anderen Materialien, einschließlich Lithium, befinden sich in der Schlacke, die jetzt als Zusatzstoff in Beton verwendet wird.

• Direkte Wiederherstellung: Am anderen Ende des Spektrums stellen einige Recyclingverfahren Batteriematerialien direkt wieder her. Die Komponenten werden durch verschiedene physikalische und chemische Verfahren getrennt, und alle aktiven Materialien und Metalle können zurückgewonnen werden. Die direkte Wiederherstellung ist ein Niedrigtemperaturprozess mit minimalem Energiebedarf.

• Zwischenverfahren: Der dritte Typ von Verfahren liegt zwischen den beiden Extremen. Solche Verfahren können verschiedene Arten von Batterien akzeptieren, im Gegensatz zur direkten Wiederherstellung, und Materialien weiter entlang der Produktionskette zurückgewinnen als die Schmelzverarbeitung.

Die Trennung der verschiedenen Arten von Batteriematerialien ist oft ein Hindernis bei der Rückgewinnung hochwertiger Materialien. Daher ist es wichtig, Batterien so zu gestalten, dass sie demontiert und recycelt werden können, damit Elektroantriebfahrzeuge aus nachhaltiger Sicht erfolgreich sein können. Eine Standardisierung von Batterien, Materialien und Zellkonstruktion würde auch das Recycling erleichtern und kostengünstiger machen.

Weitere Informationen finden Sie auf den Seiten des National Renewable Energy Laboratory und des U.S. Department of Energy Vehicle Technologies Office.