Lebensdauerprüfung von Elektrofahrzeug-Akkus Wie lange lebt die Batterie?

Test- und Prüfverfahren helfen die Faktoren des Alterungsprozess bei Batterien zu finden.
Test- und Prüfverfahren helfen die Faktoren des Alterungsprozess bei Batterien zu finden.

Jeder wieder aufladbare Akku verliert mit der Zeit unwiederbringlich an Speicherfähigkeit. Doch welche Faktoren beeinflussen den Alterungsprozess speziell bei Batterien für Elektrofahrzeuge? Und wie lässt sich die Lebensdauer einer Batterie bestimmen? Moderne Test- und Prüfverfahren helfen, Antworten auf diese Fragen zu finden.

Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor sind Elektroautos einfach gebaut. Es gibt an den meisten Komponenten nur geringen mechanischen Verschleiß. Außerdem kommt ein Elektroauto ohne Getriebe, Kupplung, Katalysator, Kraftstofftank, Lichtmaschine und viele andere Bauteile aus. Studien zufolge kosten Reparaturen von Elektrofahrzeugen durchschnittlich um bis zu 35 Prozent weniger als die Instandsetzung von Autos mit Verbrennungsmotor. Elektroautos könnten also sehr lange leben. Wäre da nicht die Antriebsbatterie. Sie beeinflusst im besonderen Maße die tatsächliche Lebensdauer eines Elektrofahrzeugs.

Der Akku ist das Herzstück eines jeden Elektrofahrzeugs und zugleich der entscheidende Faktor für die Reichweite des Autos. Die potenziell zurücklegbare Strecke wiederum ist eines der wichtigsten Argumente für oder gegen den Kauf eines E-Car. Geht die ohnehin schon beschränkte Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie im Laufe der Fahrzeugnutzung weiter verloren, hat das weitreichende Konsequenzen. Das Elektroauto kann weniger Strecke mit einer vollen Akku-Ladung zurückgelegen. Auch steht weniger Leistung, etwa im Beschleunigungsvorgang, zur Verfügung. Damit geht ein erheblicher Wertverlust des Elektroautos einher, unter dem auch dessen Restwert leidet. Falls bei Wiederverkauf oder am Ende des Leasing die Batterie eines gebrauchten E-Cars ausgetauscht werden muss, wird dies schnell teuer. So kostet beispielsweise der Ersatz-Akku für einen Nissan Leaf rund 5000 Euro.

Welcher Kapazitätsverlust ist normal?

Die nutzbare Kapazität von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkus, der sogenannte „State of Health“ (SOH), unterliegt sowohl einer kalendarischen als auch einer zyklischen Alterung. Das gilt auch für Elektrofahrzeuge. Das heißt, die Speicherfähigkeit der Autobatterie geht zum einen im Laufe der Zeit von ganz allein verloren, zum Beispiel beim Lagern oder beim Parken des Autos. Zum anderen liefern die Batterien mit zunehmender Anzahl der Betriebszyklen immer weniger Leistung, da sie durch die Ladevorgänge und das Fahren beansprucht werden.

Über den tolerierbaren Kapazitätsverlust von Traktionsbatterien in E-Fahrzeugen wird unter Nutzern kontrovers diskutiert. Kürzlich hat die US-Non-Profit-Organisation Plug In America (PIA) unter anderem die Batterie des Tesla Roadster untersucht. Basis war ein Feldversuch, bei dem anonyme Berichte und Daten von mehr als 100 Tesla-Besitzern ausgewertet wurden. Das Ergebnis: Nach umgerechnet 160.000 Kilometern Fahrstrecke hat die Tesla-Batterie immer noch eine Kapazität von 80 bis 85 Prozent. Nissan war 2013 einer der ersten Hersteller, die bei einem Elektromodell (hier: Leaf) die Garantieleistung über Defekte und Fertigungsfehler hinaus auch auf Kapazitätsverluste der Antriebsbatterie ausdehnten. Demnach soll der Akku des Elektroautos in den ersten fünf Jahren oder über die ersten 100.000 Kilometer mindestens 70 Prozent seiner Ursprungskapazität behalten. Fällt der Wert unter diese Grenze, wird die Batterie ersetzt oder überarbeitet. Als Maßstab für die Kapazität gilt dabei die Anzeige im Bordcomputer. Diese muss mindestens neun der zwölf Ladebalken anzeigen. Andere Hersteller zogen mit vergleichbaren SOH-Garantien nach.

Was passiert bei der Batterie-Alterung?

Im Laufe der Zeit ändern sich die Eigenschaften eines Batteriesystems. Die einzelnen Zellen bestehen aus verschiedenen Materialien, die in Kontakt stehen und miteinander reagieren können. Mit zunehmender Lebensdauer eines Akkus lassen sich dabei zwei Effekte beobachten: Zum einen nimmt sukzessive die Kapazität der Batterie ab, worunter die Reichweite des Elektrofahrzeuges leidet. Zum anderen steigt der Innenwiderstand des Akkus an, was zu einem Leistungsverlust etwa während des Beschleunigungsvorgangs führt.

Für den Alterungsvorgang einer Batterie sind physikalisch-chemische Effekte verantwortlich – etwa der Verlust von Elektroden-Oberflächen und wieder aufladbarem Elektrodenmaterial, das Auftrennen von elektrischen Leitpfaden oder eine erhöhte Ladungstransfer-Impedanz. Für die Alterung von Akkus gibt es also viele Ursachen. Besonders herauszustellen sind Veränderungen an der Grenzfläche zwischen Anode und Elektrolyt (dem sogenannten Solid Electrolyte Interface, SEI). Durch chemische Prozesse wächst diese Schicht im Laufe der Zeit immer weiter an. Darunter leidet die Kapazität der Batterie. Die Lithium-Ionen, die in Verbindungen überführt werden, können nicht mehr elektrochemisch reagieren. Außerdem nimmt die Dicke der Schicht zu, die Lithium-Ionen im Elektrolyten durchwandern müssen. Dies lässt wiederum den ohmschen Widerstand innerhalb der Batterie anwachsen. Darüber hinaus führen auch mechanische Belastungen zur Alterung der Batterie. Diese entstehen beispielsweise, wenn die Lithium-Ionen in die Aktivmaterialien eingelagert werden. Dadurch können Spannungen auftreten, die schließlich Risse innerhalb der Partikel bilden, die dann auseinanderbrechen. Außerdem kann eine Degeneration des Binders zur Folge haben, dass einzelne Partikel des Aktivmaterials nicht mehr elektrisch angebunden sind.

Was lässt Akkus besonders schnell altern?

Eine neue Batterie hat einen State of Health (SOH), also eine nutzbare Kapazität, von 100 Prozent. Ist sie vollständig geladen, hat das Fahrzeug eine bestimmte Reichweite, zum Beispiel von 140 Kilometern. Ob die volle Distanz zurückgelegt werden kann, hängt jedoch erheblich von der Geschwindigkeit, der Fahrweise und vom Einsatz von elektrischen Verbrauchern wie Klimaanlage, Navigationssystem und Heckscheibenheizung ab. Altert die Batterie, kommt es zu Kapazitätseinbußen. Bei einer Verringerung des SOH sinkt auch die Reichweite entsprechend. So kann der Fall eintreten, dass eine tägliche Strecke von 110 Kilometern, die in den ersten Jahren ohne Zwischenladung zurückgelegt werden konnte, im dritten Jahr nur noch mit Einbußen an Fahr-Performance und Komfort und ab dem sechsten Jahr nur noch mit einem Lade-Stopp absolviert werden kann.

Die SOH-Reduktion lässt sich dabei, wie bereits beschrieben, sowohl auf die kalendarische als auch die zyklische Alterung des Akkus zurückführen. Die Lebensdauer der Batteriezellen ist aber auch von den Betriebsbedingungen, der Fahrweise, dem Ladeverhalten, den eingesetzten Materialien und der Qualität des Herstellungsprozesses abhängig. Je nach Anwendungsfall, Auslegung der Lithium-Ionen-Batteriezelle und Nutzungsumständen wird also die Haltbarkeit des Akkus unterschiedlich sein.

Im Zusammenspiel aller Einflussgrößen spielt bei der Batteriealterung die Zelltemperatur die bedeutendste Rolle. Akkus verlieren schneller an Leistungsfähigkeit, wenn die Umgebungstemperatur hoch oder die Wärmeabfuhr der Batteriepackung schlecht ist. Temperaturen über 30 Grad Celsius bedeuten eine hohe Belastung für Lithium-Ionen-Akkus. Dass der Tesla Roadster im Feldversuch auch nach 160.000 Kilometern Laufleistung immer noch 80 bis 85 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität aufweist, liegt unter anderem an der eingesetzten aktiven Kühlung. Elektrofahrzeuge ohne ein vergleichbares Kühlsystem können wesentlich schneller an Reichweite verlieren. So hat Plug In America (PIA) in einer Umfrage unter Fahrern des Nissan Leaf einen deutlichen Klima-Effekt nachgewiesen. Elektrofahrzeuge, die in wärmeren Regionen gefahren wurden, büßten demnach viel schneller an Akku-Kapazität ein.

Und auch die US-Behörde für Erneuerbare Energien und Energieeffizienz (Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, EERE) kommt zu einer ähnlichen Einschätzung: Wird ein Elektroauto wie ein Nissan Leaf beispielsweise in Phoenix (Arizona) gefahren, wo die Temperatur an besonders heißen Sommertagen auf bis zu 46 Grad Celsius ansteigen kann, wirkt sich das negativ auf die Lebensdauer der Traktionsbatterie aus. Der Akku wird bereits fünf bis zehn Jahre früher an sein Ende kommen als in gemäßigten Klimazonen, in denen es im Sommer nur um die 20 Grad Celsius warm wird. Die negativen Auswirkungen hoher Temperaturen auf die Lebensdauer der Antriebsbatterie in Elektrofahrzeugen provozierten den Chef-Entwickler des Chevrolet Volt sogar zu einer bemerkenswerten Aussage: „The Volt may not be right for everyone. If you live in the Southwest, depending on how you use your car, the Volt might not be right for you“, wird Andrew Farah von verschiedenen Branchenmedien zitiert. Je nach Wohnort und Fahrzeugnutzung sei der Volt also nicht für jeden Käufer geeignet. Eine hohe Umgebungstemperatur ist dabei jedoch nicht das einzige Problem. So kommt es beim Auf- und Entladen des Akkus auch zu einer Selbsterwärmung der Batteriezellen. Das beschleunigt wiederum den Alterungseffekt. Abhilfe gegen diese Temperatur-Effekte schafft eine aktive Kühlung des Akkus. So verfügt eine identische Batteriepackung mit Flüssigkeitskühlung nach zehn Jahren über eine zehn Prozent höhere Restkapazität als sein ungekühltes Pendant.