05.03.2018

Skeleton Technologies GmbH

How Can We Ensure Batteries Don't Get Recycled Too Early?Wie können wir sicherstellen, dass Batterien nicht zu früh recycelt werden?

Für Menschen, die kein EV (Electric Vehicle, Elektrofahrzeug) besitzen, ist die Sorge um die Reichweite das größte Hindernis. Im praktischen Gebrauch eines EVs wird dies jedoch mit Hilfe von Vorrichtungen zur Reichweitenvorhersage gemanagt. 

Die meisten Fahrten liegen eindeutig innerhalb der Reichweite des Fahrzeugs. Pendeln zur Arbeit, regelmäßige Einkaufstouren, Bekanntenbesuche - diese Aktivitäten nutzen in der Regel nicht einmal die Hälfte der Reichweite, die ein übliches EV bietet.  Die große Herausforderung für ein EV ist eine Autofahrt durch mehrere Länder.

Der Bordcomputer und das Navigationssystem können Routen, Zeiten, die effizienteste Durchschnittsgeschwindigkeit und Zwischenstopps aufzeichnen, um sicherzustellen, dass das gefürchtete „0 %“ nicht eintritt.

Es ist immer am besten, ungünstige Bedingungen wie kalte Temperaturen und Gegenwind zu berücksichtigen, und es gibt bereits eine Menge Online-Ressourcen wie Foren und Websites zu diesem Thema.

Aber dahinter verbirgt sich ein anderes Problem, das für den EV-Besitzer eine noch größere Besorgnis auslöst.  Dieses Thema wird oft in Foren von EV-Besitzern angesprochen.  Es betrifft die Batterielebensdauer.

Was ist damit gemeint?

Eine EV-Batterie kann während ihrer Lebensdauer nur eine begrenzte Anzahl von Lade- und Entladezyklen durchlaufen.  Typischerweise liegen diese in der Größenordnung von ein paar Tausend - vielleicht etwas mehr, vielleicht etwas weniger.  Dies hängt von der Belastung der Batterie während ihres Betriebs und der Temperatur ab, bei der sie betrieben wird.

Warum ist es so schwer, damit umzugehen?

Sie unterscheidet sich sehr vom Umgang mit der Reichweite eines EVs, die von der Software des Fahrzeugs gut betreut wird und abhängig ist von der Fahrweise und den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Topologie, Wetter, Umgebungslicht…). Die Reichweite wird geschätzt und verfeinert, wenn die Ladung sinkt und die gefahrene Strecke zunimmt.

Was die Lebensdauer betrifft, gibt es derzeit keine in das EV eingebaute Software zur Optimierung des Ladevorgangs.

Die Anzahl der Zyklen variiert aufgrund von mehreren Faktoren, und dies wird dem EV-Besitzer beim Kauf des Autos nicht immer erklärt, so dass er es in der Regel selbst studieren und herausfinden muss. 

Kürzlich hat Tesla darauf hingewiesen, dass die Batterie fast nie vollständig entladen werden sollte, dass sie nur 3-4 mal im Jahr voll aufgeladen werden sollte, und dass es am besten ist, sie mit einem Ladezustand zwischen 80% und 20% zu betreiben.  Dies liegt daran, dass bei vollständiger Entladung der Batterie verschiedene chemische Bindungen eingefroren werden.

Auch muss eine Batterie für ein volles Aufladen einen Sättigungszyklus durchlaufen, was ebenfalls nicht vorteilhaft für ihre Lebensdauer ist. Ein sanftes Aufladen über Nacht ist am besten, da eine niedrigere Ladegeschwindigkeit einer hohen Ladegeschwindigkeit (für schnelles Aufladen) vorzuziehen ist.

Die Batteriechemie begrenzt die Geschwindigkeit, mit der sich die Elektronen bewegen - je höher der Stromfluss, desto mehr Wärme wird in der Batterie erzeugt, was die Lebensdauer beeinträchtigt.

Das gleiche gilt für die Entladegeschwindigkeit. Um diese auf einem überschaubaren Niveau ohne zu viel Wärmeerzeugung zu halten, werden Batteriepacks in der Regel überdimensioniert und Wärmeableitungssysteme wie die Flüssigkeitskühlung werden eingebaut.  

Abgesehen von einer Gewichtszunahme führt diese Überdimensionierung zu einem weiteren Problem.  Die Beschaffung von Rohstoffen für Batterien ist ein heißes Thema. 

Aufgrund der Preisvolatilität von Rohstoffen wie Lithium, Nickel, Kupfer und Kobalt sind die Risiken hoch und nehmen ständig zu. Die Kosten für Batterien haben sich dank hoher Stückzahlen und einer rationellen Produktion mit hoher Automatisierung und zuverlässigen Prozessen reduziert.

Allerdings gilt Kobalt als das „neue Öl“, und zwar nicht wegen seiner energetischen Eigenschaften, sondern eher wegen seiner Neigung zu Preisschwankungen pro Tonne. 

Kobalt stammt hauptsächlich aus der Demokratischen Republik Kongo, einem Land, das seit Jahrzehnten unter schwierigen und komplexen politischen Bedingungen leidet.  Es ist schwierig, eine sichere und kontinuierliche Produktion von Kobalt zu garantieren, es sei denn, Batterierecycling wird zur Norm.

Vor kurzem hat der chinesische Bergbaukonzern China Molybdenum die Tenke-Mine im Kongo erworben. Das bedeutet, dass China heute 62 % der weltweiten Kobaltproduktion erzeugt.  Außer für China kann dies auch die Volatilität nach oben treiben.  Wenn es also möglich wäre, weniger von diesen Rohstoffen zu verbrauchen, wäre dies wünschenswert.

Ist das möglich? - Ganz sicher!

Simulierte Konfigurationen zeigen, dass der Einbau von Ultrakondensatoren in einen LEAF seine Reichweite um 8 % erhöhen kann, aber nicht nur das, die Lebensdauer des Batteriepacks wird um bis zu 40 % erhöht. Ultrakondensatoren sind nicht durch eine chemische Reaktion begrenzt und ihre Ladezyklen können in Sekundenschnelle ausgeführt werden.  Sie haben zwar den Nachteil, dass sie nicht viel Energie speichern können, aber dies verbessert sich immer mehr.

Da die Leistungsentfaltung mit Ultrakondensatoren nahezu sofort erfolgen kann, eignen sie sich ideal für Beschleunigungen und Bremsphasen.

Während der ersten Sekunde der Beschleunigung können sie die gesamte vom Auto benötigte Antriebsenergie abgeben, während die Batterie sich auf die Energie einstellt, die benötigt wird, um das Auto am Laufen zu halten. 

Beim Bremsen können die Ultrakondensatoren die gesamte Energie aus dem System entnehmen, egal bei welcher Geschwindigkeit sie abgegeben wird, obwohl es am besten ist, dies für einen entspannteren Betrieb nicht völlig auszunutzen!

Auf diese Weise können Ultrakondensatoren durch Reduzierung des Batterievolumens und der Arbeitsbelastung dafür sorgen, dass Energie gespart wird, Rohstoffe sparsam gewonnen werden und vor allem die Lebensdauer der Batterie verlängert wird.

Aber Ultrakondensatoren brauchen wohl auch Rohstoffe?

Ja natürlich! Graphen (reiner Kohlenstoff) und Aluminium; diese sind weder flüchtig noch knapp.

Sie lassen sich sogar noch einfacher recyceln!

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