So funktioniert die Batterie eines Elektrofahrzeugs

Wie funktioniert der Akku eines Elektroautos?

Elektrofahrzeuge sind dank der Bedenken bezüglich der Energiesicherheit, dem Druck zur Minderung des Klimawandels und der steigenden Energienachfrage erneut eine praktikable Transportalternative geworden. Eine entscheidende Rolle bei der Annahme dieser Fahrzeuge spielt die Batteriekomponente, da sie die Kosten, Reichweite und Sicherheit definiert. Ein Elektroauto-Akku, auch bekannt als Elektrofahrzeugbatterie (EV-Batterie), ist eine wiederaufladbare Batterie, die die Elektromotoren eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs (BEV) oder eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEV) antreibt.

Elektroauto-Akkus unterscheiden sich von Starter-, Beleuchtungs- und Zündungs(SLI)-Batterien, da sie so konzipiert sind, dass sie über längere Zeiträume Energie liefern und Tiefzyklusbatterien sind. Sie zeichnen sich durch ihr relativ hohes Leistungsgewicht, ihre spezifische Energie und ihre Energiedichte aus; kleinere, leichtere Batterien sind wünschenswert, da sie das Gewicht des Fahrzeugs verringern und seine Leistung verbessern. Frühere Batterietechnologien konnten die erforderlichen Spezifikationen, insbesondere in Bezug auf die Reichweite, nicht erfüllen. Jedoch haben neuere Entwicklungen in der Lithium-Ionen-Batterietechnologie diese Einschränkungen beseitigt.

Zusammensetzung einer EV-Batterie

Die Zusammensetzung einer EV-Batterie kann je nach Typ des Elektrofahrzeugs leicht variieren, aber im Allgemeinen bestehen EV-Batterien aus elektrochemischen Zellen. Eine Elektrozelle ist im Wesentlichen eine Quelle von Gleichstromenergie. Sie wandelt gespeicherte chemische Energie durch einen elektrochemischen Prozess in elektrische Energie um.

Batteriemodule: Ein Batteriemodul ist eine Zusammenstellung von Batteriezellen, die durch Kombination einer festen Anzahl von Zellen in einen Rahmen gebracht wird, um die Zellen vor Vibrationen, Hitze oder äußeren Gefahren zu schützen. Ein Batteriemodul besteht immer aus vielen einzelnen Zellen, die in Serie und parallel verbunden sind, um die Gesamtspannung und die Stromanforderungen des Moduls zu erreichen.

Batteriepack: Die endgültige Form einer in ein Elektrofahrzeug eingebauten EV-Batterie. Das Sammeln von Daten von den Packsensoren und das Aktivieren der Packrelais erfolgt durch die Batterieüberwachungseinheit (BMU) oder das Batteriemanagementsystem (BMS) des Packs.

Chemie der Elektroauto-Batterie – Funktionsweise

Ein Elektroauto-Akku ist im Wesentlichen eine Quelle von Gleichstromenergie. Er wandelt gespeicherte chemische Energie durch einen elektrochemischen Prozess in elektrische Energie um. Eine typische Batterie besteht aus einer oder mehreren Volta-Zellen.

Das grundlegende Prinzip in einer elektrochemischen Zelle sind spontane Redoxreaktionen in zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind, eine ionisch leitfähige und elektrisch isolierende Substanz. Aber wie funktioniert eine solche Batterie? In einfachen Worten: Jede Batterie ist so konzipiert, dass Kathode und Anode getrennt bleiben, um eine Reaktion zu verhindern. Die gespeicherten Elektronen fließen nur, wenn der Stromkreis geschlossen wird. Dies geschieht, wenn die Batterie in ein Gerät eingesetzt und das Gerät eingeschaltet wird. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, zieht die stärkere Anziehungskraft der Elektronen durch die Kathode (z. B. LiCoO2 in Lithium-Ionen-Batterien) die Elektronen von der Anode (z. B. Lithium-Graphit) durch den Draht im Stromkreis zur Kathodenelektrode. Diese Batteriechemische Reaktion, dieser Fluss von Elektronen durch den Draht, ist Elektrizität.

Wenn wir ins Detail gehen, konvertieren Batterien chemische Energie direkt in elektrische Energie. Chemische Energie kann beispielsweise in Zn oder Li gespeichert werden, die Hochenergiemetalle sind, weil sie nicht durch d-Elektronenbindung stabilisiert sind, im Gegensatz zu Übergangsmetallen. Lithiummetall ist das leichteste Metall und besitzt eine hohe spezifische Kapazität (3,86 Ah/g) und ein extrem niedriges Elektrodenpotential (−3,04 V gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode). Daher ist Lithium ein ideales Anodenmaterial für Hochspannungs- und Hochenergiebatterien.

Während der Entladung wird Lithium in der Lithium-Graphit-Anode von Li zu Li+ (0 zu +1 Oxidationszustand) oxidiert durch die folgende Reaktion: C6Li → 6C(Graphit) + Li+ + e. Diese Lithiumionen wandern durch das Elektrolytmedium zur Kathode, wo sie in Lithium-Kobalt-Oxid durch die folgende Reaktion eingebaut werden, die Kobalt von einem +4 zu einem +3 Oxidationszustand reduziert: CoO2 (s) + Li+ + e → LiCoO2 (s)

Hier ist die vollständige Reaktion (von links nach rechts = Entladung, von rechts nach links = Aufladung): C6Li + CoO2 ⇄ C6 + LiCoO2

Diese Reaktionen können umgekehrt werden, um die Zelle wieder aufzuladen. In diesem Fall verlassen die Lithiumionen die Lithium-Kobalt-Oxid-Kathode und wandern zurück zur Anode, wo sie zu neutralem Lithium reduziert und wieder in das Graphitnetzwerk eingebaut werden.

How electric vehicle battery works

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