Antriebsbatterien dienen als Energiequelle für Elektrofahrzeuge. Ein Antriebsbatteriesystem ist im Allgemeinen in drei Ebenen unterteilt: den Akkupack, die Module und die Zellen.

1. Akku

Der Akku besteht typischerweise aus Batteriemodulen, einem Wärmemanagementsystem, einem Batteriemanagementsystem (BMS), elektrischen Systemen und Strukturkomponenten.

Ein Batteriemodul kann als Zwischenprodukt zwischen den einzelnen Zellen und dem Akkumulator verstanden werden. Es entsteht durch die Reihen- und Parallelschaltung von Lithium-Ionen-Zellen und die Integration von individuellen Zellüberwachungs- und -verwaltungseinheiten. Seine Struktur muss die Zellen stützen, fixieren und schützen.

Zu seinen grundlegenden Bestandteilen gehören:

• Modulcontroller: Wird oft auch als BMS-Slave-Board bezeichnet.
• Batteriezellen
• Leitfähige Steckverbinder
• Kunststoffrahmen
• Kühlplatte & Kühlrohre
• Endplatten und Befestigungselemente: Die Endplatten an beiden Enden halten die einzelnen Zellen zusammen und erzeugen einen gewissen Druck. Sie dienen häufig auch dazu, das Modul im Akkupack zu fixieren.

Ziel des Moduldesigns ist es, das Zellmanagement durch das BMS zu erleichtern, die Batteriesicherheit zu verbessern und Wartung und Reparatur zu vereinfachen – ähnlich wie die Aufteilung eines Landes in mehrere Provinzen zur einfacheren Regierungsführung.

3. Zelle
Eine Zelle besteht im Wesentlichen aus einer positiven Elektrode (Kathode), einer negativen Elektrode (Anode), einem Separator und einem Elektrolyten. Ihr primäres Funktionsprinzip beruht auf der Wanderung von Lithiumionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode, wodurch das Laden und Entladen ermöglicht wird.

• Ladevorgang: Benötigt externe Energie (Netzstrom), um elektrische Energie in der Batterie zu speichern.
• Entladevorgang: Erfolgt spontan und setzt die gespeicherte Energie frei.

Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge werden hauptsächlich anhand ihrer Materialsysteme in drei Kategorien eingeteilt: Lithium-Mangan-Oxid (LMO), ternäre Materialien (NCM/NCA) und Lithium-Eisenphosphat (LFP).

Sicherheit, Stabilität und Leistungsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen sind ebenfalls entscheidende Indikatoren für die umfassende Bewertung der Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien.

• Lithium-Manganoxid (LMO)

LMO weist eine schlechte Hochtemperaturleistung, geringe Zyklenstabilität und unzureichende Lagereigenschaften auf. Mangan neigt dazu, sich bei erhöhten Temperaturen zu lösen/zu dissoziieren, was zu einer kurzen Lebensdauer des Akkus und einer geringen Lagerfähigkeit führt.

• Ternäre Lithium-Ionen-Batterien (NCM/NCA)

Ternäre Batterien bieten eine ausgewogene Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen, Zyklenfestigkeit, Sicherheit, Lagerung und verschiedenen elektrischen Kennwerten. Sie zeichnen sich durch eine hohe volumetrische Energiedichte, moderate Materialkosten und stabile Leistung aus. Je nach Verhältnis von Nickel, Kobalt und Mangan umfassen ternäre Zellsysteme Serien wie NCM532 und NCM811. Das 811-System hat in den letzten Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen. Ein höherer Nickelanteil erhöht zwar die Energiedichte der Batterie, verringert aber gleichzeitig deren Stabilität. Daher ist die Entwicklung von Antriebsbatterien ein ständiger Balanceakt zwischen Praktikabilität und Sicherheit.

• Lithium-Eisenphosphat (LFP)

Die positive Elektrode einer Lithiumbatterie wird hergestellt, indem das positive Aktivmaterial (z. B. LFP oder NCM) auf eine Aluminiumfolie (den Stromkollektor) aufgetragen wird, während die negative Elektrode hergestellt wird, indem das negative Aktivmaterial (z. B. Graphit oder LTO) auf eine Kupferfolie (den Stromkollektor) aufgetragen wird.

Batterien werden üblicherweise nach ihrem positiven Elektrodenmaterial benannt, weshalb sie häufig als ternäre Batterien oder Lithium-Eisenphosphat-Batterien bezeichnet werden. Lithiumtitanat-Batterien (LTO-Batterien) stellen jedoch eine Ausnahme dar, da LTO das negative Elektrodenmaterial ist. Dies ist ein einzigartiger Fall einer Batterie, die nach ihrem negativen Elektrodenmaterial benannt ist.

Bei der Durchsicht ausländischer Literatur findet man häufig Autoren, die das positive Elektrodenmaterial als Kathode und das negative Elektrodenmaterial als Anode bezeichnen. Dies kann zunächst verwirrend sein, da die Standard-Elektrochemie die Elektrode, an der Reduktion stattfindet, als Kathode und die Elektrode, an der Oxidation stattfindet, als Anode definiert – die Bezeichnung würde sich also beim Wechsel zwischen Lade- und Entlademodus der Batterie umkehren. Mit der Zeit wird jedoch deutlich, dass diese Definition auf dem Zustand der Batterie ohne äußere Energiezufuhr basiert; somit werden Kathode und Anode der Batterie spezifisch durch die Reaktionszustände während der Entladung bestimmt.

Analyse der Batteriealterung
Die Alterung von Batterien kann anhand zweier Hauptdimensionen analysiert werden: Leistungsverschlechterung und Sicherheitsverschlechterung.

1) Leistungsverschlechterung: Nach einer gewissen Nutzungsdauer verringert sich die Reichweite von Elektrofahrzeugen, und auch eine Verschlechterung der Beschleunigung kann spürbar werden. Dies lässt sich hauptsächlich anhand von Kapazitätsverlust, erhöhtem Innenwiderstand und gesteigerter Selbstentladung analysieren.

2) Sicherheitsbeeinträchtigung: Sicherheitsbeeinträchtigungen sind vergleichsweise schwieriger zu erkennen. Die Batterie kann bereits physikalische/mechanische Verformungen aufweisen, die Wahrscheinlichkeit eines internen Kurzschlusses (ISC) kann sich erhöht haben oder es kann ein Risiko des Elektrolytaustritts bestehen. Um den Batteriealterungsprozess vollständig zu verstehen, müssen daher im nächsten Schritt die Auslöser der Kapazitätsreduzierung, die Faktoren, die den Innenwiderstand erhöhen, die Ursachen der Batterieverformung und die Mechanismen, die zu internen Kurzschlüssen führen, untersucht werden.

Vergleichende Sicherheits- und Markttrends
Lithium-Manganoxid-Batterien (LMO) schneiden in puncto Sicherheit deutlich besser ab als ternäre Batterien. Beispielsweise verwenden einige chinesische Hersteller derzeit Xinzhengs modifiziertes LMO (LMA-30) zur Produktion von 90-Ah-Einzelzellen, die allesamt die umfassenden Sicherheitstests des Instituts 201 bestehen. Im Gegensatz dazu haben selbst 20-Ah-Einzelzellen aus chinesischer Produktion Schwierigkeiten, den Nagelpenetrationstest zu bestehen. Dieser Unterschied ist im Wesentlichen auf die strukturelle Stabilität der Materialien zurückzuführen; die Kristallstruktur von LMO ist von Natur aus stabiler als die von ternären Materialien.

Darüber hinaus haben LMO-Materialien eine längere Entwicklungszeit durchlaufen und weisen einen deutlich höheren technologischen Reifegrad auf. Das bereits erwähnte LMA-30 nutzt Aluminium-Dotierung/Modifizierung zur Verbesserung des LMO; ähnliche modifizierte ternäre Optionen sind für zukünftige Markteinführungen nicht auszuschließen. Aufgrund von Elektrolytkompatibilitätsproblemen neigen ternäre Materialien zudem stärker zur Gasbildung (Ausgasung) als LMO, was ein weiterer Grund dafür ist, dass die Sicherheit ternärer Batterien hinter der von LMO zurückbleibt.

Die Energiedichte ternärer Materialien ist jedoch deutlich höher als die von LMO. Daher verwenden die ausgereiftesten Antriebsbatterien aus Japan und Südkorea derzeit hauptsächlich LMO, das mit einem bestimmten Anteil ternärer Materialien gemischt ist. Dieser Ansatz gewährleistet Sicherheit bei gleichzeitig erhöhter Energiedichte und stellt somit einen wichtigen Trend für die zukünftige Entwicklung von Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge dar.

Zellstrukturen

Zellen werden anhand ihres strukturellen Aufbaus in drei Typen eingeteilt: Zylindrische, Beutel- und prismatische Zellen.

1. Prismatische Zellen: Aufgrund der einfacheren Herstellung und der platzsparenden Bauweise sind prismatische Zellen derzeit die gängigste Wahl für Elektrofahrzeuge in China.
2. Zylindrische Zellen: Hochgradig standardisiert. Gängige Modelle sind 14650, 14500, 18650 und 21700. Die ersten beiden Ziffern geben den Durchmesser (mm) an, die dritte und vierte die Höhe (mm), und „0“ steht für eine zylindrische Form. Tesla verwendet derzeit 18650- und 21700-Zellen, während die größeren 4680-Zellen in Serie gehen. Typische Komponenten sind die positiven und negativen Platten, der Separator, der Elektrolyt, das Gehäuse, der Deckel (Pluspol), die Dichtung und das Sicherheitsventil.
3. Pouchzellen: Verpackt in Aluminium-Kunststoff-Folie, bieten hohe Gestaltungsfreiheit.

4. Batteriemanagementsystem (BMS)
Batteriemanagementsystem für Lithium-Ionen-Batterie Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist ein Steuerungs- und Überwachungssystem zur Optimierung von Batterieleistung und -sicherheit. Durch die Erfassung und Berechnung kritischer Parameter wie Spannung, Stromstärke, Temperatur und Ladezustand (SOC) reguliert das BMS die Lade- und Entladevorgänge, schützt die Batterie vor anormalen Betriebsbedingungen und verbessert so deren Gesamtleistung und Lebensdauer. Es dient als wichtige Kommunikations- und Steuerungsschnittstelle zwischen der Bordbatterie und dem Elektrofahrzeug.

Drei Hauptfunktionen des BMS:

1. Schätzung des Ladezustands (SOC): Misst die verbleibende Energie, um dem Fahrer genaue Reichweitenangaben und Ladehinweise zu liefern.
2. Thermisches Management: Überwacht die Betriebstemperaturen und aktiviert Kühlsysteme (Lüfter oder Kühlplatten), um die Batterie im optimalen Temperaturbereich zu halten.
3. Batterieausgleich: Korrigiert Spannungs- und Kapazitätsschwankungen, die durch Fertigungstoleranzen oder ungleichmäßige Wärmeableitung verursacht werden, und verhindert so das Überladen einzelner Zellen.

Die Gefahrenanalyse während der BMS-Entwicklung identifiziert Risiken wie Überspannung (Überladung), Unterspannung, Übertemperatur und Überstrom. Langfristige Überladung ist besonders gravierend und kann zu irreversiblen Schäden, Verformungen oder Leckagen führen. Der Sicherheitsmechanismus muss Überladung sofort erkennen und sowohl einzelne als auch latente Fehler verhindern.

5. Trends in der Batterieentwicklung

5.1 Kobaltfreie Batterien
Ternäre Lithiumbatterien benötigen Kobalt, um ihre Schichtstruktur zu stabilisieren und ihre Lebensdauer zu verlängern. Allerdings schwanken die Kobaltpreise stark, und über die Hälfte des weltweiten Angebots konzentriert sich in der Demokratischen Republik Kongo (DRK), wodurch die Lieferkette stark von geopolitischen und pandemiebedingten Störungen betroffen ist. Der Verzicht auf Kobalt oder dessen Reduzierung senkt die Fahrzeugkosten und mindert die Risiken in der Lieferkette.

• Vorteile: Festelektrolyte zeichnen sich durch ein breites elektrochemisches Stabilitätsfenster aus, wodurch der Einsatz von Hochvolt-Kathodenmaterialien und Lithiummetallanoden mit hoher Kapazität ermöglicht und die Energiedichte erheblich gesteigert wird. Ihre hohe mechanische Festigkeit verhindert zudem wirksam das Eindringen von Lithiumdendriten und beugt so Kurzschlüssen vor.
• Aktuelle Herausforderung: Extrem hohe Grenzflächenimpedanz zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten.

5.3 Blade-Akkus
Die von BYD entwickelte Blade-Batterie verwendet lange, dünne Zellen (960 mm lang, 13,5 mm dick, 90 mm hoch), die Klingen ähneln. Anstelle der herkömmlichen Wickeltechnik werden die Zellen intern gestapelt. Durch die Verwendung von Strukturklebstoffen, die die Zellen zwischen zwei Aluminiumplatten fixieren, fungieren die Zellen selbst als tragende Elemente. Dieses Design ahmt wabenförmige Aluminiumplatten nach und verzichtet vollständig auf Module, um Gewicht und Kosten zu reduzieren und die Raumausnutzung zu optimieren.

• Herausforderung: Der Prozess ist komplex. Hohe Ausschussraten beim Schneiden, Schwierigkeiten bei der Einhaltung gleichmäßiger Kanten- und Gratbildung sowie die Anforderungen an die Ausrichtungsgenauigkeit stellen hohe Anforderungen an die Fertigung. Dies ist der Hauptgrund, warum gestapelte Batterien gegenüber herkömmlichen gewickelten Batterien noch keine flächendeckende Marktführerschaft erlangt haben.

• Route 1: Komplett modulfrei (z. B. BYD Blade Battery).
• Route 2: Integration kleiner Module in große Module (z. B. CATL CTP).

CTC (Cell to Chassis): Die nächste Evolutionsstufe nach CTP. Dabei werden die Batteriezellen direkt in das Fahrzeugchassis integriert, sodass die Batterieabdeckung nahtlos in den Fahrzeugboden übergeht. Sitze können direkt auf dem Akku montiert werden. CTC überwindet die Grenzen herkömmlicher Akkupacks und ermöglicht die tiefe Integration von Zellen, Chassis, Motor, elektronischer Steuerung und DC/DC-Wandlern. Dies optimiert den Platzbedarf, reduziert den Energieverbrauch und macht Elektrofahrzeuge preislich konkurrenzfähig mit Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Acey New Energy liefert schlüsselfertige Produktionsanlagen und umfassende Engineering-Lösungen für Montagelinien für Lithium-Ionen-Akkus und deckt den gesamten Prozess von der Zelle bis zur Verpackung ab.

Wir unterstützen unsere Kunden von der ersten Fabrikplanung bis zur finalen Produktion und bieten umfassende Dienstleistungen an, darunter Linienlayoutoptimierung und Anlagenintegration. Modulstapelung Präzisionslaserschweißen, BMS-Integration und abschließende Leistungsprüfung der Verpackung.

Unsere Systeme legen Wert auf strukturelle Praktikabilität, Betriebsstabilität und Wartungsfreundlichkeit. Durch den Einsatz standardisierter Anlagen mit flexiblen, modularen Konfigurationen ermöglichen wir Herstellern, Rüstzeiten zu minimieren, Produktionsrisiken zu reduzieren und die Konsistenz von der Zelle bis zur Verpackung deutlich zu verbessern.

ACEY begrüßt internationale Partner und freut sich auf eine zuverlässige, langfristige Zusammenarbeit bei Projekten zur Herstellung von Batteriepacks.