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Zukünftige Entwicklung der Akkutechnik

Themenstarteram 7. Januar 2022 um 12:57

Nachdem die Diskussion aufkahm was den in 5-10 Jahren möglich ist, wollte ich diese hier fortführen.

Zurzeit sind wir bei Batterien die ca. 150 Wh/kg bzw. Beim EQxx bei 200 WH/kg. Die Batterie im EQxx wiegt ca. 500kg und er soll eine Reichweite von 1000km bieten.

Im Labor wurden jetzt schon 560 Wh/kg nachgewiesen.

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00302-0?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2542435121003020%3Fshowall%3Dtrue

Andere forschen an 1000 Wh/kg

https://www.electrive.net/.../

Dies lässt mich Vermuten das wir in 5-10 Jahren mit 100kg Batterien die 1000km Grenze knacken könnten.

@GaryK

Vielleicht willst du hierzu auch noch etwas sagen.

21 Antworten

Da sehe ich zwei Trends, zum einen die oben beschriebenen Lithiumbatterien im oberen Preissegment. Zum anderen die preiswerten Natriumbatterien für das Massensegment. Denn mehr als 500 km Reichweite brauchen nur sehr Wenige.

Themenstarteram 7. Januar 2022 um 15:34

Ja das denke ich auch das es schwere Billigakkus für ide Masse gibt und teure dann für Luxusfahrzeuge. Bei den 100kg und 1000km ging es mir um Sportwagen. Einen richtigen Sportwagen wird es nur mit leichter Batterie geben ich schätze mal das 100kg hier das Target sind was eine Batterie wiegen darf.

Hier im übrigen ein Kompedium vom VDE was mal eine schön Übersicht hat welche Akkumulatoren gerade so draußen sind. Ich schätze mal der nächste große Schritt dürften Feststoffbaterien werden wo das Elektrolyt ein Fesstoff ist.

https://www.dke.de/.../kompendium-li-io-batterien-2021-de-data.pdf

Was bringen 500Wh pro kg, wenn der Spaß dann 2000L Platz braucht. Im LKW vielleicht. Aber im eAuto in 5 Jahren, sehe ich noch lange keine Verdopplung zu jetzt. Betrachtet man noch die Zyklen und Kälteleistung dazu wirds wohl eher 10Jahre dauern für merkliche Fortschritte. Die Meldungen zu Superakkus kommen ja auch regelmäßig. Gesehen hat aber noch keiner einen. Das dauert alles noch. Kauft beruhigt heute, so schnell gibt es nichts bahnbrechend Besseres.

Themenstarteram 7. Januar 2022 um 20:51

@shkxy333

Da geb ich dir Recht, aber das oben mit 560 kw/KG war in einem Labor einer Universität wo die Studie dazu sogar Peer Reviewed wurde. Die Prognose mit 560 kw/kG ist also Valide. Zudem war die Batterie recht stabiel was die Ladezyklen anging.

Der große Sprung mit der Volumendichte wird wohl mit Fest stoff Batterien kommen.

Themenstarteram 8. Januar 2022 um 8:09

Interssant ist das jetzige LitihumBatterien schon jetzt eine Kapazität von ca. 1000 WH/kg haben bei ca. 4V Spannung.

Das Problem ist das die Spannung nicht unter 3,3 V fallen darf, da sich sonst das Lithium in nicht Reversibele Stoffe zersetzt. Das selbe gilt auch für die Maxiamle Spannugn die gerade irgendwo bei 4,2 V liegt, auch überr 4,2 V zersetzt sich hier das Lithium.

Das heißt die Nutzbare Kapazität ist lediglich durch das Delta der Spannung (ca. 0,9V) zwischen höchster und niedrigster Zell Spannung limitiert. Das ist ca 1/4 der nutzbaren Kapazität. Das wären ca. 214 WH/kg

Man muss also mit andern Chemischen Elemente versuchen das Lithium am zerfall bei über-/unterschreiten der maxi-/minimalen Spannung zu verhindern. Ist dies wirklich so unrealistisch?

Morgen...!

Der VDE hat diesbezüglich einmal eine sehr schöne Übersicht zusammengestellt[1]:

Festkörperbatterie

Bei einer Festkörperbatterie wird anstelle eines flüssigen Elektrolyts ein Elektrolyt aus festem Material verwendet. Feste Elektrolyte werden intensiv erforscht, da sie viel höhere spezifische Energiedichten um 500 Wh/kg erreichen können. Die sogenannten Solid State Batterien verlangsamen durch ihre feste Struktur das Wachstum von Dendriten, daher gelten sie als die wahrscheinlichste Lösung zur industriellen Umsetzung von sekundären Li-Metall-Batterien. Im Labormaßstab sind bereits erste Erfolge mit festen Elektrolyten erzielt worden, ein häufiges Problem bei der Industrialisierung stellt bisher die Zyklenfestigkeit dar.

Metall-Schwefel-Batterien

Ein Beispiel für alternative Zellmaterialien sind Metall-Schwefel-Batterien, der prominenteste Vertreter dieses Batterietyps ist die Lithium-Schwefel-Batterie. Der Rohstoff Schwefel ist preiswert und als Abfallprodukt bei der Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus Erdgas und Erdöl in großen Mengen vorhanden. Die Kombination aus Lithium und Schwefel bietet eine hohe spezifische Energiedichte von theoretisch bis zu 860 Wh/kg. Bei gleicher Kapazität sind die Rohstoffkosten einer Metall-Schwefel-Batterie geringer als bei einem vergleichbaren Lithium-Ionen-System.

Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Batterien

Neben Metall-Schwefel-Batterien wird auch an Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Batterien geforscht. Bei diesen Systemen wird die elektrische Energie mittels chemischer Reaktion von Metallen mit Sauerstoff freigesetzt. Eine Besonderheit stellt dabei der Sauerstoff dar, denn dieser soll im Idealfall über die Elektrode aus der Umgebungsluft gewonnen und nicht wie bei anderen Systemen in der Batterie vorgehalten werden. In der Theorie erzielen Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Batterien eine höhere volumetrische Energiedichte (ca. 850–900 Wh/l) als andere. Diese können auch auf Lithium-Basis umgesetzt werden.

Natrium-Ionen-Batterien

Natrium-Ionen-Batterien stellen eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien dar. Denn Natrium ist reichlich vorhanden wie zum Beispiel in den Ozeanen und auch in der Erdkruste. Des Weiteren kann das Material kostengünstiger gewonnen werden als Lithium. Auch die bereits etablierten Fertigungsmethoden können für die Produktion von Natrium-Ionen-Batterien verwendet werden. Allerdings weisen Natrium-Ionen-Batterien sowohl eine geringere spezifische als auch volumetrische Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien auf.

Vor allem die Natrium-Ionen-Batterien werden von CATL quasi jetzt schon in Großserie produziert und kommen dieses bzw. kommendes Jahr zum Einsatz. Vorteil, richtig billig! [2] ;)

MfG André

[1] https://www.dke.de/.../kompendium-li-io-batterien-2021-de-data.pdf

[2] https://jesmb.de/10356/

Also mittlerweile glaube ich auch nicht mehr an einem so schnellen Fortschritt!

Was im Labor aktuell möglich ist und was in Massenproduktion letztendlich, vor allem in bezahlbaren Fahrzeugen ankommt... Schon ein krass weiter Weg!

 

Grundsätzlich stimme ich zu das 'realistische' 400km (zumindest für Zuhauselader) reichen!!

Nur, leider haben wir gelernt, das gerade dort wo die Reichweite relevant wird, unter optimalen Bedingungen nur 2/3 davon zu schaffen sind... Unser Corsa-e z.B. mit >340km nach WLTP und bei 110km/h AB Schleichfahrt kommen max. 300km raus, Betonung liegt auf max. // von 120-130 km/h will ich gar nicht erst anfangen^^!

Im Winter + Heizung, gerade wenn man sich auf Grund der deutlich schlechteren Ladekurve noch mehr Reichweite wünscht, kommen schnell mal nur 50-60% des WLTP Wertes zu Stande (gilt für viele BEV ist jetzt nicht PSA-spezifisch)!

 

Und das da jetzt in der Effizienz ganze Quantensprünge passieren ist ebenso unwahrscheinlich, man schaue sich nur mal die älteren Koreaner vs. die neuen Modelle an, bedauerliche Entwicklung in dieser Hinsicht...

 

Also ich bin erst einmal dafür die Akku's so zu entwickeln das sie Temperaturbeständiger sind + gleichzeitig in einem wesentlich größeren Temperaturfenster eine hohe Ladekurve ermöglichen!

(Bevor ich von 1.000km Reichweite träume!)

Dazu noch die ein oder andere Stellschraube an der Effizienz - Antrieb + Heizung/Klima und ein Großteil wäre schon einmal zufriedener!

 

Grüßle Mopedcruiser

 

@Mopedcruiser 100x Zustimm. Und genau das ist ja auch schon am Massenmarkt im Kommen, zumindest in Fernost, ein zweigeteilter Akku. Ein gewisser Teil besonders Kälteresistent, aber leider mit schlechteren Werten hinsichtlich KW pro kg. Dieser Teil ist dann für Fahrtbeginn im Winter. Und ein zweiter Teil Akku wie aktuell, kälteempfindlich, aber bei entsprechender Temperatur für "ausreichend" Reichweite. Das können wir in 5 Jahren vielleicht als Standard ansehen. In 10 Jahren dann vielleicht mit mehr Reichweite... Schneller malen unsere Wirtschaftsmühlen einfach nicht. Jeder Entwicklungsschritt will erst einmal bezahlt/gemolken werden.

Das Innovationstempo wird sich aber wohl mit zunehmender Verbreitung der E-Mobilität noch erhöhen, weil jeder einen möglichst großen Teil vom Umsatzkuchen abbekommen möchte.

Ich behaupte, manche Marken (u.a. VAG) fühlen sich so sicher am Markt, dass sie den Fortschritt bestimmen. Selbst wenn morgen der Superakku kommt, werden die das nur häppchenweise an den Endverbraucher weiter geben. Ähnlich Intel vor 5-10Jahren. Nicht mehr als nötig, Schritt für Schritt und immer schön melken und längst vorhandenes jährlich nur mit leichten Verbesserungen weitergeben. Hinkt etwas, da Intel alleiniger Marktführer war. Aber im Automobil wird auch keiner von heute auf morgen doppelte Leistung zum gleichen Preis verkaufen, selbst wenn technisch möglich.

Zitat:

@BurkhardR schrieb am 7. Januar 2022 um 14:46:54 Uhr:

Da sehe ich zwei Trends, zum einen die oben beschriebenen Lithiumbatterien im oberen Preissegment. Zum anderen die preiswerten Natriumbatterien für das Massensegment. Denn mehr als 500 km Reichweite brauchen nur sehr Wenige.

es geht ja nicht nur um Reichweite:

kleinere, sehr leistungsfähige Batterien mit hoher spezifischer Energiedichte machen gerade auch in kleineren und mittleren Fahrzeugen unterer Preisklassen Sinn, weil sie bei geringerer Reichweite immer weniger Platz brauchen; und viel Platz ist für viele Anwender noch wichtiger als die Reichweite;

Morgen...!

Damit man mal sieht, wie die Entwicklung voran geschritten ist, schaut man sich einfach mal ältere Wägen und deren Spezifikationen an.

In 2013 hat Mercedes den SLS AMG Coupé electric mit dem damals modernsten Akku für schlappe 430 TEUR auf den Markt gebracht. Dieser Akku hatte 110 Wh pro Kilogramm. [1]

Der aktuell vorgestellte Mercedes EQXX liegt bei 200 Wh pro Kilogramm. Darüber hinaus wurde an diesem Fahrzeug die Effizienz zwischen Akku und Rad von 95% demonstriert.

Ein eher praktisches Beispiel ist der VW E-Up. Hatte dieser von 2013 bis 2019 nur einen 18,X kWh Akku, sind es ab 2020 im gleichen Fahrzeug nun 36,X kWh.

Der Natrium Akku von CATL hält z.b. ab 2023 Einzug.

Aus meiner Sicht wird es hier auch nicht von heut auf morgen den Akku geben. Aber es ist ein schleichender Prozess der gefühlt nur am Rande wahr genommen wird. Vielleicht vom Gefühl her wie Speichermedien. Vor ein paar Jahren hatte man sich noch ne externe USB Platte mit 512 GB gekauft, heute (ohne sich regelmäßig damit zu beschäftigen) erhält man schon MicroSD Karten mit dieser Speichergröße...;)

MfG André

[1] https://www.handelsblatt.com/.../7854694.html

Moore'sches Gesetz - nur halt für Akkus und vielleicht mit 5-7 Jahre Zyklus.

Zitat:

@remix schrieb am 12. Januar 2022 um 21:59:22 Uhr:

Zitat:

@BurkhardR schrieb am 7. Januar 2022 um 14:46:54 Uhr:

Da sehe ich zwei Trends, zum einen die oben beschriebenen Lithiumbatterien im oberen Preissegment. Zum anderen die preiswerten Natriumbatterien für das Massensegment. Denn mehr als 500 km Reichweite brauchen nur sehr Wenige.

es geht ja nicht nur um Reichweite:

kleinere, sehr leistungsfähige Batterien mit hoher spezifischer Energiedichte machen gerade auch in kleineren und mittleren Fahrzeugen unterer Preisklassen Sinn, weil sie bei geringerer Reichweite immer weniger Platz brauchen; und viel Platz ist für viele Anwender noch wichtiger als die Reichweite;

Morgen...!

Ich kann deiner Argumentation folgen, vielleicht sieht das Konzept zukünftiger Elektroautos anders aus, wenn man der Forschung glauben schenkt. ;)

Es gibt dann kein das Auto und der Akku mehr. Sondern es wird überlegt, welche Struktur des Fahrzeugs kann durch Akkus (im weiteren Sinne) ersetzt werden. So sollen z.b. Bodenplatte, Holme, Dach usw. durch Speichermedien ersetzt werden.

Damit gibt es nicht mehr den Akku als einzelnes Bauteil, sondern als Teil des Autos. Damit wäre das Thema der immer höheren Energiedichte zwar nicht obsolet, aber nicht mehr soo wichtig. :)

Hier ein interessanter Beitrag von Hr. Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung:

https://youtu.be/V-uJRnH450U

MfG André

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