Aufbau E-Auto
Die Batterie
Damit ein Elektromotor ein Elektroauto antreiben kann, braucht er elektrische Energie. Dazu muss der Strom von der Steckdose zum Elektromotor gelangen. Da unsere Straßen keine Oberleitungen besitzen, müssen wir die elektrische Energie im Auto mitführen.
Es bedarf eines mobilen Stromspeichers: einer Batterie.
Gespeichert wird der Strom Elektroautos gegenwärtig praktisch ausschließlich in Lithium-Ionen-Akkus: das heißt elektrochemisch in einer wiederaufladbaren Batterie.
Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos sind modular aufgebaut. Sie setzen sich aus rund einem Dutzend Einzel-Modulen zusammen, die wiederum aus mehreren Zellen bestehen.
Was passiert auf Zellebene?
Die einzelne Lithium-Ionen-Zellen sind galvanische Elemente: Sie wandeln chemische Energie spontan in elektrische Energie, Strom, um. Dazu benötigt sie Pluspol, Minuspol und eine leitende chemischen Substanz, den Elektrolyten.
Wie funktioniert die Umwandlung?
Verlangt der Elektromotor nach elektrischer Energie, gibt die negative Elektrode – konkret ihr Aktivmaterial (Aluminium-Graphit), die Anode – negativ geladene Elektronen ab. Sie fließen zurück zur positiven Elektrode, der Kathode: der Stromkreis ist geschlossen.
Aufgenommen werden sie dort von den Aktivmaterialien – je nach Bauart von einer Nickel-Cobalt-Mangan oder Eisenphosphat-Verbindung.
Zum Ausgleich der Spannung fließen in der Zelle, im Elektrolyten, positiv geladene Lithium-Ionen vom Minus- zum Pluspol, von der Anode zur Kathode.
Da sich die Lithium-Ionen stärker zu den Aktivmaterialien der Kathode hingezogen fühlen, wird bei dieser chemischen Reaktion Energie frei.
Da die Aktivmaterialien die negativen Elektronen aufnehmen, bleibt die Ladung der Ionen erhalten. Die Reaktion ist umkehrbar, beim Laden wandern die Ionen zurück zur Anode.
Einen Kurzschluss verhindert ein Separator im Elektrolyten: Er ist für die Elektronen undurchlässig, die Lithium-Ionen können ihn aber ungehindert durchwandern.
Module und Batterie: Die Spannung steigt
Eine Lithium-Ionen-Zelle erzeugt allein aber nicht die nötige Spannung, die der E-Motor eines Elektroautos benötigt. Die Zellspannungen bewegen sich heute zwischen 2,2 bis 4,2 Volt.
Deshalb werden mehrere Zellen in Reihe zu ganzen Modulen geschaltet; und rund ein Dutzend Module zu einer ganzen Batterie.
So wird der elektrische Strom aus der Steckdose oder der Ladestation chemisch gespeichert und bei Bedarf als Elektrizität an den Elektromotor abgegeben.