So funktioniert eine Lithiumbatterie im Elektro- oder Hybridauto

Das Grundprinzip ist einfach: Lithiumionen bewegen sich zwischen zwei Elektroden hin und her, ohne dabei verbraucht zu werden. Verschleiß verursachen dennoch Temperatur, ein hoher Ladezustand und große Ströme – nicht die Laufleistung an sich. Der Zustand einer Batterie hängt deshalb stärker davon ab, wie das Fahrzeug genutzt wurde und welche Zellchemie zum Einsatz kommt, als vom Kilometerstand.

Das Grundprinzip: Beim Laden bewegen sich Lithiumionen

Eine Lithium-Ionen-Batterie speichert nicht den Strom selbst. Sie speichert Energie, indem Lithiumionen zwischen zwei Elektroden bewegt werden. Beim Laden wandern die Ionen von der Kathode zur Anode und lagern sich dort in ein Graphitmaterial ein. Beim Entladen wandern sie zurück, während die Elektronen ihren Weg durch den Elektromotor des Fahrzeugs nehmen müssen. Nichts wird verbrannt und nichts verbraucht. Theoretisch könnte dies unbegrenzt weitergehen.

In der Praxis ist das nicht der Fall. Bei jeder Bewegung der Ionen finden an den Elektroden geringe Nebenreaktionen statt. Ein Teil des Lithiums wird dauerhaft in einer Schicht auf der Anodenoberfläche gebunden, der sogenannten SEI-Schicht. Diese Schicht ist für die Funktion der Batterie notwendig, wächst jedoch während der gesamten Lebensdauer langsam weiter. Jedes Wachstum entzieht dem Kreislauf Lithium. Dies ist der wichtigste einzelne Grund dafür, dass die Kapazität im Lauf der Jahre sinkt.

Die Geschwindigkeit dieses Prozesses wird vor allem von der Temperatur, dem Ladezustand, auf dem die Batterie gehalten wird, und der Höhe der entnommenen Ströme bestimmt. Deshalb kann dieselbe Batterie bei einem Besitzer doppelt so schnell altern wie bei einem anderen.

Von der Zelle über das Modul zum Batteriepack

Eine einzelne Zelle liefert nur 3–4 Volt. Für den Antrieb eines Fahrzeugs werden Hunderte Volt und Dutzende Kilowattstunden benötigt. Deshalb werden die Zellen in zwei Stufen miteinander verbunden.

Zellen werden in Reihe geschaltet, um die Spannung zu erhöhen, und parallel geschaltet, um die Kapazität zu steigern. Ein typisches Batteriepack für einen Pkw arbeitet mit 350–450 Volt, neuere Plattformen mit 800 Volt. Durch die höhere Spannung lässt sich dieselbe Leistung mit geringerer Stromstärke übertragen. Das verringert die Wärmeentwicklung und ermöglicht schnelleres Laden ohne dickere Kabel.

Um die Zellen herum arbeiten zwei Systeme, die mindestens ebenso wichtig sind wie die Zellen selbst: das Thermomanagement und die Steuerelektronik. Kühlkanäle oder Kühlplatten halten die Zellen im optimalen Bereich von etwa 15–35 °C. Bei Kälte wird das Batteriepack stattdessen vor dem Schnellladen erwärmt. Genau das bedeutet Vorkonditionierung. Eine Batterie, die häufig außerhalb ihres Temperaturfensters betrieben wird, altert deutlich schneller.

Auch die Bauweise unterscheidet sich je nach Hersteller. Traditionell besteht das Batteriepack aus austauschbaren Modulen. Immer mehr neue Modelle nutzen stattdessen Cell-to-Pack, wobei die Zellen direkt in eine tragende Struktur eingeklebt werden. Das reduziert das Gewicht und erhöht die Energie pro Liter, erschwert oder verhindert jedoch Reparaturen auf Modulebene. Für den Gebrauchtwagenkauf ist das eine relevante Frage: Lässt sich die Batterie in Teilen reparieren, oder muss das gesamte Batteriepack ersetzt werden?

NMC oder LFP: Die Chemie bestimmt das Verhalten

Fast alle Unterschiede zwischen Batterien lassen sich auf das Material der Kathode zurückführen. Zwei Zellchemien dominieren heute den Markt.

LFP hat sich von einer Nischenlösung zu einer Zellchemie entwickelt, die etwa die Hälfte der weltweiten Batteriekapazität für Elektroautos ausmacht. Für den Gebrauchtwagenmarkt bedeutet das, dass der Anteil an Fahrzeugen mit hoher Zyklenlebensdauer und geringerer Empfindlichkeit gegenüber Vollladung von Jahr zu Jahr wächst.

Eine praktische Folge ist weniger offensichtlich, aber wichtig: LFP besitzt eine sehr flache Spannungskurve. Zwischen etwa 20 und 90 Prozent Ladezustand verändert sich die Zellspannung kaum. Dadurch kann das Fahrzeugsystem schwerer bestimmen, wie voll die Batterie tatsächlich ist. LFP-Fahrzeuge fordern deshalb in regelmäßigen Abständen eine Vollladung zur Kalibrierung an. Aus demselben Grund ist auch die Messung des Batteriezustands bei LFP anspruchsvoller, da die Spannung allein weniger verrät.

BMS: das Batteriemanagementsystem

Über den Zellen arbeitet ein Battery Management System. Erst das BMS macht aus einem Verbund von Zellen eine Fahrzeugbatterie.

• Zellüberwachung. Spannung und Temperatur werden kontinuierlich gemessen, in der Regel je Zellgruppe.
• Balancierung. Zellen altern unterschiedlich. Das BMS gleicht die Unterschiede aus; andernfalls begrenzt die schwächste Zelle das gesamte Batteriepack.
• Thermomanagement. Es startet Kühlung oder Heizung und begrenzt die Leistung, wenn die Temperatur außerhalb des sicheren Fensters liegt.
• Schutz. Es trennt oder begrenzt bei Über- oder Unterspannung, zu hohem Strom oder zu hoher Temperatur.
• Schätzung. Es berechnet Ladezustand (SoC) und Batteriezustand. Keiner der beiden Werte lässt sich direkt messen; beide sind berechnet.

Der letzte Punkt verdient besondere Aufmerksamkeit. Wenn das Fahrzeug 62 Prozent Ladezustand anzeigt, handelt es sich um eine Schätzung aus Spannung, Stromzählung und einem Modell des spezifischen Batterieverhaltens. Dasselbe gilt für den Batteriezustand. Die Schätzung kann sich mit der Zeit verschieben, insbesondere wenn das Fahrzeug nur selten bis an die Ladegrenzen gebracht wird. Zudem rechnen Hersteller unterschiedlich. Eine Zustandskennzahl sollte deshalb immer zusammen mit der Angabe erscheinen, wie sie ermittelt wurde.

Was das in der Praxis bedeutet

Wenn Sie das Fahrzeug fahren

• Lassen Sie das Fahrzeug möglichst nicht lange mit 100 Prozent Ladezustand stehen, besonders bei Wärme. Für NMC sind 20–80 Prozent im Alltag ein guter Bereich. LFP verträgt Vollladungen und benötigt sie gelegentlich.
• Schnellladen ist nicht grundsätzlich schädlich, sollte aber nicht der Normalfall sein. Der Unterschied zeigt sich über Jahre, nicht nach einzelnen Ladevorgängen.
• Nutzen Sie im Winter die Vorkonditionierung. Eine kalte Batterie schnellzuladen gehört zu den stärkeren Belastungen.
• Parken Sie bei längeren Standzeiten möglichst kühl und im Schatten. Wärme lässt die Batterie auch im Stillstand altern.

Wenn Sie mit Fahrzeugen handeln

• Die Zellchemie beeinflusst die Bewertung. Ein LFP-Fahrzeug mit hoher Laufleistung hat häufig mehr Restlebensdauer als ein NMC-Fahrzeug mit demselben Kilometerstand.
• Fragen Sie nach dem Lademuster, nicht nur nach dem Kilometerstand. Der Anteil des Schnellladens erklärt einen großen Teil der Unterschiede zwischen scheinbar identischen Fahrzeugen.
• Prüfen Sie, ob die Batterie modular oder als Cell-to-Pack aufgebaut ist. Davon hängen die realistischen Kosten einer künftigen Reparatur ab.
• Dokumentieren Sie den Batteriezustand bei Inzahlungnahme und Verkauf. Eine Messung beseitigt für Sie und Ihre Kunden die größte Unsicherheit im Geschäft.

Häufig gestellte Fragen