Start-Stop-Batterien für Hybrid-Elektrofahrzeuge
Überblick über Mild-Hybrid-Fahrzeuge und Start-Stopp-Batterien
Der Automobilmarkt, der zuvor ein stetiges Umsatzwachstum verzeichnet hatte, schrumpfte nach 2009 abrupt. Die Produktion von Elektrofahrzeugen konzentrierte sich zunehmend auf den „grünen“ Bereich der Hybrid- und reinen Elektrofahrzeuge. Der Einbau eines Start-Stopp-Systems mit herkömmlichen Starterbatterien (SLI) erfordert eine außergewöhnlich hohe Ladeaufnahmefähigkeit und Energiedichte bei gleichzeitig überlegener Startleistung im Vergleich zu Standard-SLI-Batterien. Dieser Ansatz reduziert zwar die CO₂-Emissionen, doch erfüllen solche Systeme die staatlichen Emissionsziele noch nicht. Um ein akzeptables Kostenniveau zu erreichen, werden immer mehr Funktionen vom Motor auf die Batterie verlagert. Dies erfordert Batterien, die zuverlässig höhere Leistung und Energie liefern und gleichzeitig hohe Lade-/Entladeraten im Hochleistungs-Teilladezustand (HRPSoC) ermöglichen. Blei-Säure-Batterien weisen unter solchen Bedingungen eine kürzere Lebensdauer auf, was Elektrofahrzeughersteller dazu veranlasst, Nickel-Metallhydrid- (NiMH) und Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) einzusetzen.
Um die starke Marktposition von Blei-Säure-Batterien zu erhalten und auszubauen, werden neue Batterien mit verbesserter Energiedichte, Leistung und Lebensdauer benötigt. Der Trend zum Austausch von Blei-Säure-Batterien setzt sich fort, während Fahrzeuge mit Start-Stopp-Systemen zusätzlich 3–8 % CO₂-Emissionen einsparen. Mild-Hybrid- und Vollhybrid-Elektrofahrzeuge erzielen noch größere CO₂-Reduktionen (15–40 %). Plug-in-Hybrid- oder Vollhybrid-Elektrofahrzeuge sind umweltfreundlicher. Prognosen zufolge werden die Verkaufszahlen von Mild-Hybrid-Elektrofahrzeugen, die die CO₂-Emissionen um 10–20 % reduzieren können, bis 2025 weiter steigen. Vollhybrid- oder Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge hingegen werden Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen-Batterien nutzen. Mild-Hybrid-Elektrofahrzeuge setzen weiterhin hauptsächlich auf Blei-Säure-Batterien. Dies eröffnet eine seltene und bedeutende Geschäftsmöglichkeit für Hochleistungs-Blei-Säure-Batterien. Ob sich moderne Blei-Säure-Batterien in den nächsten 30 Jahren zur primären Energiequelle für Elektrofahrzeuge entwickeln können, hängt von ihrer Fähigkeit ab, eine lange Lebensdauer und hohe Leistung zu erbringen.
Auf mehreren Treffen der Advanced Lead-Acid Battery Alliance wurden Blei-Säure-Batterien erörtert. Die Ursachen für die kurze Lebensdauer und die Ausfallmechanismen sowie effektive industrielle Lösungen für dieses Problem wurden im letzten Jahrzehnt identifiziert. Der wichtigste Ansatz besteht in der Zugabe von Kohlenstoffadditiven zur Anode, um die durch HRPSoC-Bedingungen verursachte Sulfatierung zu verhindern. Hochleistungsbatterien mit kohlenstoffbasierten, hochkapazitiven negativen Elektrodenplatten von Furukawa und East Penn sind auf dem Markt erschienen. Hersteller in Asien, Europa und den USA integrieren Kohlenstoffpulver mit großer Oberfläche in die Aktivmaterialien der negativen Elektroden. Obwohl dieser Ansatz die Lebensdauer verlängert, bleiben andere Leistungsparameter unverändert.
Blei-Säure-Batterien nutzen nur 35–40 % ihrer theoretischen Aktivmaterialkapazität, was der Hauptgrund für ihre relativ geringe spezifische Kapazität und spezifische Leistung ist. Bei modernen Blei-Säure-Batterien bietet die Steigerung der Aktivmaterialnutzung ein erhebliches Potenzial zur Erhöhung der spezifischen Energie und der spezifischen Leistung (Wh/kg, W/kg) um das Zwei- bis Dreifache. Ein erfolgreiches Beispiel hierfür ist die Auswahl geeigneter Gitter und die Anwendung eines bipolaren Designs zur Steigerung der spezifischen Energie und Leistung.
Leistungsparameter bipolarer Elektroden und verbesserter Gitter
| Artikel | Referenzbatterie (Steuerbatterie) | Neues Raster 1 | Neues Raster 2 | Bipolare Batterie |
|---|---|---|---|---|
| Spezifischer Energiegehalt (Wh/kg) | 45 | 45 | 45 | 55 |
| Spezifische Leistung (W/kg) | 450 | 1200 | 900 | 540 |
Die Zugabe von Kohlenstoff zu modernen Bleiakkumulatoren geht über deren Einarbeitung in die Zusammensetzung des Aktivmaterials der negativen Elektrode hinaus. Fortschrittliche Kohlenstoffformen können das Gittermetall Blei ersetzen. Kohlenstoffgitter in Kombination mit geeigneter Bleipaste weisen eine bemerkenswert hohe Zyklenstabilität und Lebensdauer auf, vergleichbar mit Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen-Akkumulatoren, wie die obige Grafik zeigt.
Blei-Säure-Batterien in Hybridfahrzeugen weisen eine vorzeitige Alterung ihrer Kapazität auf. Korrosion und Wartungsaufwand verursachen zusätzliche Kosten. Hauptursache ist der Betriebsmodus: Die Batterien werden nicht im Erhaltungslademodus, sondern im teilgeladenen Zustand mit hohen Lade-/Entladeraten betrieben. Dies führt zur Sulfatierung der negativen Platten, was Kapazitätsverlust und verkürzte Lebensdauer zur Folge hat. Dennoch verbessert sich die Leistung von Blei-Säure-Batterien stetig. Viele neue Designs erfüllen die anspruchsvollsten Anforderungen moderner Anwendungen. Weitere Forschung wird sicherstellen, dass Blei-Säure-Batterien die meistverkaufte chemische Energiequelle bleiben.
