Batterietechnologien für Elektromobilität und Intralogistik

Die Batterie ist das Herzstück jedes Elektrofahrzeugs, da sie die Energie speichert, die für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt wird. Wie das im Detail geschieht, hängt von der jeweiligen Batterietechnologie ab – es gibt mechanische, elektrochemische und elektrische Energiespeicher. Welche sich am besten für die Elektromobilität eignen und welche Batterietechnologie in Zukunft die Fahreigenschaften verbessern könnte, erfahren Sie im Artikel.

Welche Batterietechnologien gibt es aktuell?

Eins vorweg: Bei den folgenden Batterietechnologien handelt es sich um sogenannte Sekundärbatterien, die nach ihrer Entladung wieder mit Energie aufgeladen werden können. Primärbatterien sind hingegen nur zur einmaligen Verwendung geeignet und deshalb für den Einsatz in Elektrofahrzeugen nicht relevant.

Aktuell konzentriert sich die Batterietechnologie in der Elektromobilität auf die elektrochemische Energiespeicherung. Dabei kann elektrische Energie in der Batterie in Form von elektrochemischen Prozessen an zwei Elektroden (Anode und Kathode) gespeichert werden. In dem reversiblen Prozess wird diese Energie für das Fahrzeug zur Verfügung gestellt.

Die Batterien sind neben den Elektroden noch aus dem leitfähigen Elektrolyten, dem Separator und unterschiedlichen Gehäusen zusammengesetzt. Die konkrete Zusammensetzung hat eine direkte Auswirkung auf Eigenschaften wie Energiedichte, Wirkungsgrad und Lebensdauer der Batterie. Aktuell sind fünf verschiedene Batterietechnologien technisch verfügbar:

• Blei-Säure/Gel-Batterie
• Nickel-Cadmium-Batterie
• Nickel-Metallhydrid-Batterie
• Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur-Batterie
• Lithium-Ionen-Batterie

Aufgrund der oben erwähnten Unterschiede ist jedoch nicht jede Batterietechnologie für ein Elektroauto geeignet. Das hat damit zu tun, dass die Elektromobilität allgemein, aber auch spezifische Elektrofahrzeuge besondere Anforderungen an ein Batteriesystem stellen. So spielt es unter anderem eine Rolle, ob es sich um Fahrzeuge für den Straßenverkehr oder die Intralogistik handelt. So ist für die Batterietechnik in Flurförderzeugen eine hohe Anzahl möglicher Ladungszyklen und eine lange Lebensdauer wichtig, während die Batterietechnologie in einem Auto hauptsächlich lange Reichweiten und kurze Ladezeiten ermöglichen sollte.

Eignung verschiedener Batterietechnologien für E-Mobilität und Intralogistik

Entscheidende Kriterien für die Bewertung verschiedener Batterietechnologien sind:

• Energiedichte
• Leistungsfähigkeit
• Lebensdauer
• Kosten
• Sicherheit
• Umweltverträglichkeit

Es gibt (derzeit) keine Technologie, die in allen Kategorien gleichzeitig hervorragend abschneidet. Das liegt daran, dass eine bestimmte Eigenschaft häufig nur auf Kosten einer anderen verbessert werden kann. Ein Beispiel: Die Erhöhung des Energieinhalts einer Batterie führt in der Regel zu einer Verringerung der Lebensdauer und umgekehrt. Für den Einsatz in Intralogistik und Elektromobilität gilt es also, die Batterietechnologie zu finden, die den jeweiligen Ansprüchen am besten entspricht.

Blei-Säure- bzw. Blei-Gel-Batterie

Bleibatterien werden seit Langem als Starterbatterien in Kraftfahrzeugen eingesetzt und gehören zu den am weitesten verbreiteten Batterietechnologien. Das liegt an den geringen Kosten und den etablierten Strukturen zur Beschaffung und Entsorgung von Blei-Akkus.

Die Batterie besteht im geladenen Zustand aus einer Blei-Anode und einer Blei-Oxid-Kathode. Als Elektrolyt kommt hier entweder flüssige, verdünnte Schwefelsäure zum Einsatz (Blei-Säure-Batterie) oder eine Gelpaste, die durch den Zusatz von Kieselsäure zum Schwefel-Wasser-Gemisch entsteht (Blei-Gel-Batterie). Das wirkt sich positiv auf den Wartungsaufwand aus: Bei Blei-Säure-Batterien müssen Sie regelmäßig den Wasserstand kontrollieren und auffüllen, was bei Blei-Gel-Batterien vollständig entfällt.

Im Vergleich zu anderen Technologien haben Bleibatterien einen geringen Energieinhalt und eine kurze Lebensdauer. Aufgrund ihrer Bauweise sind sie dabei sehr robust und können mit einer hohen Sicherheit punkten. Das macht sie generell zu einer geeigneten Batterietechnologie für die Elektromobilität.

Vergleichsweise lange Ladezeiten und die bereits erwähnte geringe Energiedichte passen allerdings am besten zu Lager- und Förderfahrzeugen wie Elektro-Hubwagen im Einschichtbetrieb, die nicht durchgängig im Einsatz sind und in der arbeitsfreien Zeit  am Batterieladeplatz aufgeladen werden können. Mehr dazu lesen Sie in unserem Ratgeber „Batterietechnik und Flurförderzeuge“.

Nickel-Cadmium-Batterie

Die Nickel-Cadmium-Technologie mit einem Elektrolyten aus Kalilauge galt lange Zeit als leistungsfähige und langlebige Alternative zu den Bleibatterien. Sie war in Haushalten und Betrieben weit verbreitet, weil sie auch ohne vollständige Entladung aufgeladen werden konnte.

Allerdings verabschiedete das Europäische Parlament 2006 ein Verbot für den Einsatz von Cadmium, wenn es mehr als 0,002 Prozent des Gesamtgewichts ausmacht. In höheren Dosen ist die Verwendung nicht sicher, da es sich um ein hochgiftiges und krebserregendes Metall handelt. Seit 2009 ist das Verbot auch in Deutschland rechtskräftig und die Technologie nicht mehr verfügbar, weil NiCd-Batterien bis zu 20 Prozent aus Cadmium bestehen.

Nickel-Metallhydrid-Batterie

Diese Hochenergiebatterie ist eine Weiterentwicklung der NiCd-Technologie und überzeugt mit einer sehr hohen Energiedichte bei mittlerer Lebensdauer. Der Nachteil sind allerdings recht hohe Anschaffungskosten sowie eine beachtliche Selbstentladungsrate bei Nichtnutzung. Bei Raumtemperatur sind in einem Monat bis zu 30 Prozent Energieverlust möglich.

Insgesamt zeichnen sich Nickel-Metallhydrid-Akkus durch hohe Sicherheit und Leistung aus, was sie zu einer gut geeigneten Batterietechnologie für Elektroautos oder E-Gabelstapler im Dauereinsatz macht; der Einsatz in selten genutzten Fahrzeugen lohnt sich aufgrund der Kosten und Selbstentladung hingegen nicht.

Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur-Batterie

Diese Batterietechnologie weist einige Besonderheiten auf. Zunächst sind sowohl Kathode als auch Anode in flüssigem Zustand. Getrennt werden sie von einer semipermeablen Keramikwand, die ausschließlich für Natrium-Ionen durchlässig ist und als Elektrolyt dient. Für die elektrochemischen Reaktionen zur Energieerzeugung ist eine Betriebstemperatur von etwa 300 °C nötig, die durchgängig gehalten werden muss. Ist die Batterie in Betrieb, wird die Temperatur aufgrund der thermischen Isolation der Batteriezelle selbstständig gehalten. Wird die Batterie nicht genutzt, ist hingegen eine zusätzliche Heizung nötig, die ihre Energie im Regelfall aus der Zelle selbst bezieht. So kommt es zu einer extrem hohen Entladung bei Nichtnutzung: An einem Tag sind bis zu 10 Prozent Energieverlust möglich.

Dieser große Nachteil sowie die hohen Anschaffungskosten führen dazu, dass diese Batterietechnologie für die Elektromobilität grundsätzlich ungeeignet ist. Daran können auch die sehr hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und vergleichsweise sehr gute Umweltverträglichkeit nichts ändern. Ihr Haupteinsatzgebiet beschränkt sich auf die Anwendung als Stationärbatterie mit externer Stromversorgung.

Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Ionen-Akkus stellen aktuell den weit verbreiteten Standard für E-Mobilität und Intralogistik dar. Sie vereinen einen hohen Wirkungsgrad, kurze Ladungsdauer und sehr hohe Leistungsdichten. Dazu kommt, dass sie sich gezielt an spezielle Einsatzgebiete anpassen lassen, indem die Elektrodenmaterialien für den Aufbau des Lithium-Ionen-Akkus verändert werden. Anwendungsfreundlich ist auch die Ladung von Lithium-Ionen-Akkus: Eine Zwischenladung ist jederzeit möglich und hat keinen Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie, weil es keinen nennenswerten Memory-Effekt gibt.

Die Herstellung der Batterien ist jedoch sehr aufwendig, was zu vergleichsweise hohen Anschaffungskosten führt. Außerdem müssen bei Lagerung von Lithium-Ionen-Akkus und Entsorgung der Lithium-Batterien entsprechende Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Dennoch sind Lithium-Ionen-Batterien hinsichtlich der Gesamtkosten langfristig enorm vorteilhaft: Die Batterien müssen nicht gewartet werden und benötigen für die Ladung keine speziellen Laderäume mit Entlüftungsinfrastruktur. Die bis zu dreimal höhere Lebensdauer als bei anderen Batterietechnologien spart zusätzlich Kosten.

Die Lithium-Ionen-Technologie ist derzeit dominierend, weil sie die Anforderungen der Elektromobilität am besten erfüllt. Aus diesem Grund konzentriert sich auch ein großer Teil der Forschung und Entwicklung zukünftiger Batterietechnologien auf eine Verbesserung der Lithium-Batterie. Mehr dazu lesen Sie in unserem Ratgeber „Lithium-Luft-Akku: die Zukunft der Batterietechnik?“.

Batterietechnologien im direkten Vergleich

Damit Sie sich einen schnellen Überblick über die aktuell relevanten Batterietechnologien machen können, haben wir alle entscheidenden Eigenschaften in der nachfolgenden Vergleichstabelle für Sie zusammengefasst:

Neue Batterietechnologie für die Zukunft der Elektromobilität

Elektromobilität ist zukunftsweisend. Wie schnell sie sich verbreitet, hängt allerdings von Faktoren wie der Reichweite der Fahrzeuge, den Ladezeiten und ihren Anschaffungskosten ab. Darum ist die Verbesserung der existierenden sowie die Entwicklung neuer Batterietechnologien ein wichtiges Forschungsanliegen. Derzeit konzentriert sich ein Großteil der Forschung auf zwei Felder:

• (Weiter-)Entwicklung von Feststoffbatterien
• Alternativen zur Lithium-Ionen-Batterie

1. Feststoffbatterien

Im Unterschied zur bekannten Lithium-Ionen-Technologie wird in Feststoffbatterien ein fester Elektrolyt verwendet. Das kann Glas oder Keramik sein, aber auch Polymere und andere Hybridmaterialien kommen infrage. Dadurch stehen auch für die Elektroden andere Materialien zur Auswahl. Während die Anode meistens aus metallischem Lithium besteht, kommen für die Kathode Stoffe mit einem höheren elektrochemischen Potenzial zum Einsatz, was sich positiv auf die Batterieeigenschaften auswirkt.

Die entscheidenden Vorteile von Feststoffbatterien sind:

• Höhere Energiedichten
• Größere Reichweite
• Kürzere Ladezeiten
• Verbesserte Sicherheit
• Lange Lebensdauer
• Einfache Lagerung

Auch wenn die Batterie beschädigt ist, ist kein Auslaufen oder Entflammen des Elektrolyten zu befürchten. So kann auf die zusätzlichen Sicherheitsvorkehrungen, die für Lagerung und Transport von Lithium-Ionen-Batterien nötig sind, weitgehend verzichtet werden.

2. Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien

Ein weiterer Grund für die Forschung an alternativen Batterietechnologien ist, dass die Lithium-Vorkommen der Erde sehr begrenzt sind und zu geopolitischen Abhängigkeiten führen. Um das zu vermeiden, richtet sich der Fokus immer mehr darauf, neue Batterietechnologien ohne Lithium zu entwickeln. Ein weiterer Pluspunkt: Durch den Verzicht auf Lithium vereinfacht sich der Herstellungsprozess und die Anschaffungskosten für die Batterien sinken.

Erwähnenswerte Technologien, die sich aktuell in der Entwicklung befinden, sind:

• Metall-Luft-Batterien erreichen hohe Energiedichten und verlängern damit die Reichweite von Elektroautos. Ein Beispiel dafür sind Zink-Luft-Batterien, die derzeit allerdings bisher nicht aufladbar sind.
• Metall-Schwefel-Batterien sind günstig in der Herstellung und sicher im Betrieb, können bei der Lebensdauer allerdings bisher nicht mit Lithium-Ionen-Akkus mithalten. Geforscht wird derzeit an Magnesium-Schwefel-Batterien, von denen bisher jedoch nur Prototypen existieren.
• In Metall-Ionen-Batterien wird das Lithium durch ein anderes Metall ersetzt. Die Forschung konzentriert sich aktuell auf Aluminium und Natrium, da diese die Anforderungen der Elektromobilität am besten erfüllen und ein gleichzeitig nachhaltiger, ressourcenschonend und günstiger sind. Die Natrium-Ionen-Technologie kommt auf dem asiatischen Markt bereits in elektrischen Zweirädern und Kleinwagen zum Einsatz und steht kurz vor der weltweiten Kommerzialisierung.
• Hochtemperaturbatterien wie die bereits oben vorgestellte Natrium-Nickelchlorid-Batterie stehen ebenfalls weiterhin im Fokus der Wissenschaft. Hier geht es vor allem darum, den Energieverlust zu reduzieren und Heizmethoden für den mobilen Einsatz zu finden.

FAQ über Batterietechnologien

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