Wie Verbrennungsmotoren benötigen auch elektrische Antriebe Energie. Bei Elektroautos, auch BEV (Battery Electric Vehicles) genannt, wird die benötigte Energie von Akkumulatoren (Akkus oder auch Batterien) gespeichert, in den meisten Fällen Lithium-lonen-Akkus.
Batterie
Wie jeder Akku besteht der Lithium-Ionen-Akku aus vier Teilen: der Anode, der Kathode, dem Separator und dem Elektrolyt. In der Kathode (dem Plus-Pol) sind Li+-Ionen eingelagert. Im Beispiel unten in Form eines Lithium-Cobalt-Oxids. Der Separator, eine semipermeable Membran,isoliert die Kathode von der Anode. Er erlaubt die Wanderung von Li+-Ionen von der Kathode zur Anode und umgekehrt. In der Anode sind Li-Atome im Beispiel unten in Graphit eingelagert. Der Elektrolyt ist eine elektrisch leitfähige Lösung von Li-+Ionen in einem geeigneten Lösemittel. Die Li+-Ionen können sich darin frei bewegen.
Beim Ladevorgang wandern die Li+-Ionen zur Anode und nehmen dort ein Elektron auf; sie werden damit zu Li-Atomen. Beim Entladevorgang (wenn das Auto fährt) geben die Li-Atome wieder ihr Elektron an den Minus-Pol ab, werden zu Li+-Ionen und wandern von der Anode über den Elektrolyten und durch den Separator zurück in das Metalloxid der Kathode [1].
In Lithium-Ionen-Akkus (z.B. von Smartphones) sind viele solcher Einzelzellen zu Modulen zusammengeschaltet. Sie speichern dort den Strom und geben ihn bei Bedarf wieder ab. Das gilt auch für die großen Akkus in Elektroautos.
Schema einer Li-Ionen-Zelle (Original: Unknown Vector:
Cepheiden, Li-Ion-Zelle (CoO2-Carbon, Schema), CC BY-SA 2.0 DE)
Kapazität und Reichweite
Die praktische Leistungsfähigkeit von Akkus wird durch ihre Kapazität bestimmt. Sie wird in Watt-Stunden (Wh) gemessen. Akkus für Elektroautos erreichen eine Kapazität von bis zu 100 kWh (Kilowatt-Stunden). Wenn der Verbrauch des Elektroautos bei 20 kWh pro 100 km liegt, hat es damit eine theoretische Reichweite von 500 km. Eine solche Reichweite ist nur durch große Akkus möglich, die bis zu 700 kg wiegen können. Und selbst Elektro-Kleinwagen mit überschaubaren Reichweiten verfügen aktuell über Akkus, die mindestens 200 kg wiegen.
Aufladen der Batterie
Im Prinzip können Akkus von Elektroautos an der heimischen Steckdose aufgeladen werden. Wegen der Gefahr der Überhitzung oder von Kabelbränden wird aber davon abgeraten, besonders in Altbauten. Spezielle Wandladestationen (auch Wallboxen genannt) sind besser abgesichert und haben einen weiteren Vorteil: Sie laden das Auto mit Gleichstrom. Alle Elektroautos werden nämlich mit Gleichstrom betrieben. Deshalb muss der aus der Steckdose kommende Wechselstrom mit einem Gleichrichter umgewandelt werden, der in die Elektronik des Autos integriert ist. Noch schneller geht das Aufladen der Autobatterie an öffentlichen Ladestationen. Solche Schnellladestationen, die mit Gleichstrom betrieben werden, erreichen inzwischen Leistungen bis zu 350 kW.
Das Aufladen ähnelt dabei einem gewöhnlichen Tankvorgang: Deckel auf und Stecker rein. In Europa wird dazu bei allen Elektroautos ein „Typ-2-Stecker" genutzt. Die Dauer des Ladevorgangs kann je nach Typ der Ladestation sehr unterschiedlich sein [2].
Umweltaspekte
Fahrstrom
Elektromotoren erzeugen lokal keine Emissionen und gelten somit im Vergleich zu Verbrennungsmotoren als umweltfreundlicher. Das gilt aber nur, wenn der zum Laden der Batterie verwendete Strom zu 100 % aus regenerativer Erzeugung stammt. Bei einem nennenswerten Anteil an Kohlestrom (oder anders erzeugtem) wird die Umweltbilanz des E-Autos schon schlechter.
Batterieproduktion
Zur Produktion einer Lithium-Ionen-Batterie müssen Rohstoffe abgebaut und aufbereitet und eine Batteriefabrik betrieben werden. All das erzeugt nicht wenig CO2. Das wird auch "CO2-Rucksack" einer Batterie genannt [3]. Laut einer schwedischen Studie entstehen bei der Herstellung einer 50-kWh-Batterie (Klein- bis Mittelklasse-Wagen) je nach Batterietyp und Herstellungsprozess 5 – 10 t CO2 [4].
Recycling von Batterien
Bei der Betrachtung des CO2-Rucksacks einer Lithium-Ionen-Batterie darf das Recycling der Batterie nicht vergessen werden, z.B. [5]. Das Schließen des Kreislaufs und die Wiederverwendung von Rohstoffen wie Cobalt, Mangan und Lithium sind wichtige Aspekte der Elektromobilität.
Autorin und Autor
Alicia Stämmler und Wolfgang Gerhartz
Cartoon und Text sind das Resultat eines Schüler-Wettbewerbs der GDCh-Arbeitsgruppe "Chemie ist ..." in der Chemie in unserer Zeit, siehe auch Chem. unserer Zeit 2023, 57(1)
Literatur
[1] Wikipedia: Lithium-Ionen-Akkumulator
[2] Ladezeit von E-Autos, https://t1p.de/i3ue7 (abgerufen am 24.11.2022)
[3] R. Zellner: Zu viel CO2 aus dem Verkehr: Ist Elektromobilität die Lösung? Nachr. Chem.2019, 67, 26
[4] M. Romare, L. Dahllöf: The Life Cycle Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries, IVL Swedish Environmental Research Institute, 2017; https://t1p.de/0gjut; abgerufen am 25.11.2022
[5] BASF investiert in weitere Anlage für Batterierecycling, Die Zeit, 22.06.2022, https://t1p.de/4dmdt; abgerufen am 25.11.2022.
Wohin auch immer wir uns im Alltag wenden: überall gibt es spannende Wissenschaft und Technik zu entdecken. Das gilt auch für die Chemie. Mit einer Serie von Cartoons "Chemie ist, wenn…" machen wir auf alltägliche chemische Vorgänge aufmerksam. Zu jeder Zeichnung gibt es einen kurzen, allgemein verständlichen Text, der die jeweilige Chemie im Alltag erklärt und einige Links für weitere Informationen. Im Mittelpunkt der Zeichnungen steht unser freundliches Erlenmeyerchen. Die Cartoons werden von der Gruppe "Chemie ist..." entwickelt, einer Arbeitsgemeinschaft der Fachgruppe "Chemie und Gesellschaft". Die Zeichnungen stammen von Maike Hettinger.
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