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Welche eAuto Akkus halten länger, weshalb gibt es grosse Unterschiede und welche Rolle spielt eine flüssigkeitsbasierte Klimatisierung?

Weshalb altern Akkus und was ist der Grund, dass Akkus für Handys so schnell altern und weshalb die meisten Auto oder Haus-Akkus so viel länger halten? Aber weshalb verlieren eAuto Akkus ohne Klimatisierung mit einer Flüssigkeit ihre Kapazität in bestimmten Einsatzgebieten so viel schneller als solche mit Flüssigkeitsklimatisierung?

Die nachfolgende Zusammenstellung aus verschiedenen Dokumentationen zeigt auf, dass aktuell die Rundzellen für normal hohe Autos aufgrund ihrer geringen Bauhöhe am geeignetsten sind. Pouch Zellen sind bei den meisten klassischen Auto Herstellern die Nachfolger der Prisma Zellen. Die klassischen Hersteller glauben, dass die grösseren Zellen mit der geringeren Anzahl pro Akkupack einen Vorteil bieten. Tesla glaubt an die kleine Rundzelle und ist aktuell mit dem Akkubauer Panasonic Marktleader damit. Die Rundzellen Akkupacks lassen sich bis auf die einzelne Akkuzelle kühlen, während bei den Anderen meist nur das Akku Modul-Gehäuse von Aussen gekühlt wird. 

 

Auch die NCA (Nickel, Cobalt, Aluminium) Zellchemie von Tesla ist in vielen Belangen vorteilhaft bei Kapazitätseinbussen und Lebensdauer gegenüber den Mitbewerbern mit NMC (Nickel, Mangan, Cobalt). Des Weiteren kommt Tesla mit 2.8% statt 8-20% mit viel weniger Kobalt aus als alle anderen Auto Hersteller. 

 

Dank dieser Technologie kann Tesla so stark beschleunigen und die Akkupacks ohne Schäden so schnell aufladen. Der Strom pro Akku Zelle ist nur etwa 1/10 der Anderen. Die klassischen Auto Hersteller machen puncto Beschleunigung nur erste Erfahrungen in solchen Leistungsklassen, wenn überhaupt. Deshalb ist die Akku Garantie von 8 Jahren und mindestens 160ˋ000 Km, oder besser unlimitiert wie bei Tesla Model S/X, so wichtig.

  

Aufbau des Akkus

Erklärung von Aufbau und Eigenschaften des Akkus [EN]

Zusammenfassung bez. Akku Temperaturen und deren Folgen für die Akku Lebensdauer:

 

Ab 50 Grad Cellsius Temperatur in der Akku Zelle setzt ein nachhaltig schädlicher Prozess ein, der die Akku Leistung für immer reduziert. Je öfters das passiert, desto mehr. Ein Lithium Akku fühlt sich bei denselben Temperaturen wohl wie der Mensch und ist dort auch am leistungsstärksten. 

  • Schutz bietet Flüssigkeits-Klimatisierung des Akkus für Kälte & Hitze

Das Bild zeigt rechts in Silber, wie sich eine Schicht bildet, die am Anfang und in sehr dünner Form enorm Wichtig ist für ein langes Akku Leben, aber mit zunehmender Dicke zum schädlichen Leistungsabbau führt. Wenn die Zelle über 50°C heiss wird, fängt diese Schicht an dicker zu werden und das baut sich dann auch nicht mehr ab. Also immer schön drunter bleiben! Ein Akku erwärmt sich beim Laden und Fahren mit zunehmender Stromstärke. Wenn der Akku gefriert, bildet sich ein Honig artiger Belag auf der Trennschicht, wo die Elektronen durch müssen. Das erschwert ihnen das durchkommen durch die Mittelschicht erheblich und dadurch nimmt die Akku Kapazität vorübergehend massiv ab und somit auch die Reichweite. Mit einer heizenden Akku Klimatisierung kann dies vermieden werden. Tesla wärmt deshalb die Akkus im Stand und auf der Fahrt zum Express-Ladung an SuperChargern vor. 

 

Hier das Erklärvideo zur Akku-Thematik: 

Voll geladen lange herumstehen lassen schadet der Akku Lebensdauer ganz erheblich

 

Über mehrere Stunden voll geladene Akkus im stehenden Auto verlieren mehr Ladezyklen (Lebensdauer) als über längere Zeit nur 80% oder 60% geladene Akkus.

  • Schutz: Lade täglich langsam mit <20kW auf nur 60%-80% und nur bei Bedarf mehr

Die Kurven im linken Bild zeigen auf, wann die Akku Restkapazität bei voller Ladung noch 80% des Neuzustandes erreicht.

 

Mit der Reduktion der Restkapazität reduziert sich auch die Reichweite dauerhaft. Ein Zyklus ist dabei den Akku aufladen und beim Fahren wieder leeren.  

  • Die blaue Kurve zeigt den Kapazitätsverlust wenn der Akku immer auf 100% geladen wird:
    • Zu erwartende Akku Lebensdauer bis 80% Restkapazität von 2'000 Zyklen
    • bei einem 40kWh Akku sind dies 400'000Km
    • bei einem 80kWh Akku sind dies 800'000Km 
  • Die orange Kurve zeigt den Kapazitätsverlust wenn der Akku immer auf 80% geladen wird:
    • Zu erwartende Akku Lebensdauer bis 80% Restkapazität von 9'000 Zyklen
    • bei einem 40kWh Akku sind dies 1.8 Mio. Km
    • bei einem 80kWh Akku sind dies 3.6 Mio. Km 

Damit wird auch klar, dass kleinere Akkupacks in einem eAuto eine geringere Lebensdauer haben. Ein grosses Akkupack kann aufgrund der zweimal benötigtenPack-undSteuerungsmaterialiensowiederzweimaligen Lieferung und Montage somit deutlich ökologischer sein als zwei kleinere Akkus.

 

Die Kurven im rechten Bild zeigen auf, wie die Temperatur und die Ladeleistung auf die Lebensdauer des Akkus wirken.

  • In der Mitte ist der beste Temperaturbereich zwischen 15°C und 45°C
    • Bei tieferen Temperaturen reduziert sich die Zyklen Anzahl systematisch
    • Bei höheren Temperaturen als 50°C nimmt die Lebensdauer rapide ab    
Damit wird die enorme Wichtigkeit einer sehr effektiven Akku Klimatisierung für Kälte und Hitze aufgezeigt. Gerade bei längeren Berg- oder Autobahn Fahrten und beim Express-Laden ist dies entscheidend. In heissem oder sehr kaltem Klima oder Ländern mit grossen Reisegedistanzen  nimmt die Relevanz gar noch deutlich zu. 
 
Weshalb Nissan deshalb weiterhin lieber Gerichtsfälle verliert, Bussen bezahlt und defekte  Akkupacks ersetzt, statt Akkupacks mit Flüssigkeitsklimatisierung zu verbauen ist deshalb enorm fraglich und echt schade für das sonst sehr interessante eAuto. Aber auch Hyundai verzichtete beim neuen Ioniq weiterhin darauf, während sonst alle Kia und Hyundai eAutos über eine solche Klimatisierung verfügen. Das selbe gilt für den eGolf. Es könnte bei allen Modellen der möglichen Akku Bauhöhe geschuldet sein, welche bei SUVs höher ausfallen kann. Tesla hat hier mit den Rundzellen einen deutlichen Vorteil. 
 

Die verschiedenen Farbkurven im rechten Bild zeigen auf, wie viel schneller sich die Lebensdauer, also die maximale Anzahl Ladezyklen, über die Stärke des Ladestromes reduziert.

 

Normalerweise wird ein Akku in einer Stunde mit der Stromstärke seiner Kapazität geladen. Das entspricht 1C. 

Beispiel: 

Ein 4'000mAh Akku wird 1 Stunde mit 4'000mA Stromstärke geladen, was dann 1C entspricht. 

 

Lädt man nun mit 2C oder 3C, multipliziert sich die Stromstärke und man dividiert die Zeit. 

Beispiel: 

Ein 4'000mAh Akku wird 30 Minuten mit 8'000mA Stromstärke geladen, was 2C entspricht.

 

Wie man an der grünen Kurve gut sieht, kann bis 2C ohne bedeutende Reduktion der Lebensdauer geladen werden, während dem bei 3C bereits eine deutliche Reduktion der Zyklen zu erkennen ist. 

 

Das heisst, dass man bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit Express-Laden kann ohne die Akku Lebensdauer dadurch merklich zu schwächen. Allerdings nur, wenn man die einzelne Akku-Zelle während der Ladung unter 50°C halten kann. Gelingt dies nicht, tritt die Reduktion der Lebensdauer über die zu hohe Temperatur an der Zelle ein. Genau deshalb ist eine auf Flüssigkeiten basierte Akku Klimatisierung dermassen wichtig für die Lebensdauer des Akkus und die Alltagstauglichkeit des eAutos. Wie schnell darf man denn nun Express-Laden mit einer guten Akku Klimatisierung?

 

Beispiel mit 50kW (2170er) resp. 100kWh (18650) Akku mit keinen Rundzellen wie bei Tesla:

  • Model 3 Standard: 50'000Wh Akku Kapazität / 2'976 Zellen = 16.8 Wh pro Zelle = 1C
  • Express-Laden mit 50kW entspricht somit einem Laden von 1C, mit 100kW = 2C
  • Model S/X Long-Range: 100'000Wh Akku Kapazität / 8'256 Zellen = 12.1 Wh pro Zelle = 1C
    Express-Laden mit 100kW entspricht somit einem Laden von 1C, mit 200kW = 2C

Daraus kann abgeleitet werden, dass kleinere Akkupacks nicht so schnell geladen werden können wie grosse, weil sonst die Alterung über den C Faktor stärker wird. Es ist also davon auszugehen, dass Tesla ihre Akkus mit maximal 2 - 2.5 C belasten wird mit den neuen SuperChargern V3. Bei den 18650er Zellen bedeutet dies bei 2C = 200kW und bei 2.5C maximal 250kW. 

 

Genau diese Leistungen hat Tesla auch kommuniziert als die neuen Supercharger Ladeleistungen. Wie Porsche und die Deutschen 350kW Ladeleistung in der Realität erreichen wollen, ohne die Akku Lebensdauer erheblich zu reduzieren, ist deshalb aktuelle noch etwas nebulös, zumal die klassischen Autobauer mit etwa 10x weniger, aber deutlich grösseren Akku-Zellen operieren und die Hitze dort deutlich schwieriger aus den Zellen weg zu bringen ist. Mit Marketing und Manager Statements sind diese Leistungen kein Problem, aber die beachten die technische Machbarkeit und deren Folgen halt in dieser frühen Phase oft überhaupt noch nicht. Es wird also spannend, was die tätsächliche Ladeleistung, die Akku Garantien und die Erfahrung dieser eAutos uns sagen werden, nachdem sich die Damen und Herren (oder Adere dieser Firmen) vor Markteinführung dann der Realität doch noch gestellt haben. 

 

Es könnte gut sein, dass wir bei der Ladeleistung für längere Zeit vorne eine 1 und später für eine limitierte Ladezeit eine 2 sehen werden und die 3 nur für ganz kurze Zeit, wenn überhaupt, in Erscheinung tritt. Die 800 Volt Akku Technik kann Porsche bei der hohen Leistungsübertragung im Ladekabel von der Express-Ladestation ins eAuto massiv helfen. Aber bei der einzelnen Akkuzelle hilft das dann nicht mehr. 

 

Die Theorie besagt: Teurer, mehr Hitzeprobleme , weniger Leistung und weniger Lebensdauer.

 

Das Praxis-Beispiel vom Nissan Leaf unten zeigt die Temperatur Problematik seit Jahren auf, inkl. Gerichtsfälle

 

Nissan baut den Leaf seit jeher ohne aktive Akku Klimatisierung und hat Probleme mit der Akku Hitze, was sich in massiver Reduktion von Fahrleistung, Akku Ladegeschwindigkeit und Akku Lebensdauer auswirkt. Trotz verlorener Gerichtsfälle in den USA macht Nissan einfach so weiter. Wer oft lange Strecken fahren muss ist mit einem solchen eAuto zeitlich und finanziell vollkommen aufgeschmissen. Wer hingegen nur Kurzstrecken ohne Nachladen unterwegs fährt, kann mit dem Nissan Leaf viel Freude haben. Technisch gesehen ist es absolut unverständlich, dass Nissan mit dem Leaf+ von 2019 seine Akku Technik nicht auf den aktuellen Stand von 2012 brachte. Der aktuelle VW eGolf ist ebenfalls noch mit dieser Akku Technik ausgestattet, hat aber damit weniger Probleme. Der Hyundai Ioniq verwendet nur eine Akku-Luftkühlung, aber dies reichte bisher trotz hoher Ladeleistung von >70kW aus, um keinen #Rapidgate Effekt zu haben, wie beim Nissan Leaf.

In der Folge wird der Nissan Leaf Fall mit #Rapidgate und Gerichtsfall erklärt [EN] und auf die experimentelle Entwicklung von Akku Chemie und die alles entscheidenden Additive (wie Gewürze) der verschiedenen Hersteller eingegangen. Es zeigt, weshalb Lithium Akku nicht = Lithium Akku ist und die Charakteristiken aus dem Rezepten in fast allen Belangen massiv unterschiedlich sein können.

Unterschiedliche Zell-Chemie in der Kathode der Lithium Akkus führt zu total unterschiedlichen Eigenschaften bez. Energiedichte, Spitzenströme, Lebensdauer, Sicherheit, Entflammbarkeit, Umweltverträglichkeit, Abbaumethode, Kosten, Verfügbarkeit, etc.

  • Ziel: Wenig Kobalt, Pulver statt Flüssig-Elektrolyt, besser, leichter, günstiger & nachhaltiger

Im Hauptvideo ganz am Anfang wird auch auf die massiven Vorteile von Pulver-Elektrolyten eingegangen.

Diese sind im Wesentlichen Folgende:

  • Durch das Pulver können die ersten beiden (roter Kasten) sehr aufwendigen Produktionsschritte massiv vereinfacht, beschleunigt und ca. 20% vergünstigt werden
  • Die Kapazität von Pulver Elektrolyt Akkus ist 1/4 bis 1/3 höher und das Gericht geringer
  • Das Pulver verträgt gegenüber dem heutigen Flüssig-Elektrolyten viel höhere Temperaturen und dadurch sind ohne Negativeffekte höhere Ladeströme und höhere Fahrströme möglich
  • Die Lebensdauer von Pulver-Elektrolyt Akkus ist doppelt so hoch wie bisher
  • Tesla hat die Firma Maxwell gekauft, welche Pulver Elektrolyt Akkus entwickelt & produziert und es wird erwartet, dass der Tesla Roadster & LKW mit diesen Akkus ausgestattet werden

Es gibt 3 hauptsächlich verwendete Akku-Zellen Bauformen mit Vor- und Nachteilen

Rund-Zellen Basis

Diese Zellen sind im Aufbau mit den herkömmlichen Rundzellen im Haushalt vergleichbar. Das Bänder werde aufgerollt und in ein rundes Metallgehäuse gesteckt. 

Prisma-Zellen Basis

Eine Prisma Zelle kann man sich als flach gedrückte Rundzelle vorstellen, die dann flach gedrückt in ein eckiges Metall Gehäuse gesteckt wird. 

Pouch-Zellen Basis

Bei Pouch Zellen werden die Bänder nicht gerollt, sondern wie eine Blache schichtweise aufeinander gelegt und umgelegt.


Zellen-Bauarten

Rund-Zellen Basis

Rundzellen sind dank ihres stabilen Gehäuses gut weiter verbaubar. Die runde Form des Gehäuses gewährleistet für die Klimatisierung eine maximale Kontaktfläche zum aufgerollten Zellmaterial. Die neue Grösse 2170 kann in einem identisch grossen Akkupack verbaut werden wie die 18650, weist aber etwa 1/3 mehr Kapazität auf, was einen wesentlichen Leistungs- und Kostenvorteil ergibt.

Prisma-Zellen Basis

Die aufgerollte und flach gedrückte Zelle im rechteckigen Gehäuse eignet sich mechanisch sehr gut für den Akkupack Bau. Die Kontaktfläche zwischen Gehäuse und Zellenoberfläche ist aber nicht optimal für eine effektive Klimatisierung. 

Pouch-Zellen Basis

Pouch Zellen kann man sich vorstellen wie ein gepolstertes Couvert. Die weiche Oberfläche bietet keine mechanische Stabilität für den Akkupack Bau. Deshalb werden mehrere Pouch Zellen wie ein Briefstapel zusammen in ein stabiles Gehäuse verpackt. Der Oberflächenkontakt zur einzelnen Zelle für die Klimatisierung ist damit nicht mehr möglich. Statfdessen wird das Gehäuse von aussen Klimatisiert. Leider meist nur auf einer Seite. Studien zeigten, dass erst die Klimatisierung beider Gehäuseseiten thermische Zielwerte ergeben, die dann die volle Akku Leistung und uneingeschränkte Lebensdauer ergeben würden.


Zellen-Modul Bildung

Rund-Zellen Basis

Prisma-Zellen Basis

Pouch-Zellen Basis


Akku-Pack Bau

Rund-Zellen Basis

Prisma-Zellen Basis

Pouch-Zellen Basis


Akku-Pack Klimatisierung (wenn möglich pro Zelle, alternativ pro Modul)

Rund-Zellen Basis

Flachband Schläuche/Kanäle durchziehen das Akku-Modul in jeder zweiten Zellen-Reihe. Dadurch berührt jede Akkuzelle das Kühlband an einer Seite und kann so klimatisiert werden. Bei Model 3 verlaufen die Bänder parallel zueinander, alle direkt gespiesen. Bei den Modellen S/X bilden die Bänder einen langen Schlauch, der sich durch jedes Modul schlängelt, wodurch grössere Themperatur Unterschiede entstehen als beim Parallelverlauf.

Prisma-Zellen Basis

Prisma-Zellen Gehäuse können seitlich mit Kühlblechen klimatisiert werden. Es gibt dabei aber keine direkte Berührung der Zelle, was den Effekt limitiert.

Pouch-Zellen Basis

Die Pouch-Zellen Gehäuse werden von aussen klimatisiert, ohne dabei Berührung zur einzelnen Akku-Zelle zu haben. Da in einem Pouch Gehäuse im Gegensatz zum Prisma-Modul mehrere Zelken beherbergt sind, limitiert sich die Effektivität der Klimatisierung zu den anderen Bauformen, weil man die mittleren Zellen im Bundle thermisch innerhalb des Gehäuses schlecht erreicht.


Akku-Pack Bauarten

Rund-Zellen Basis

Rundzellen Akkupacks können in fast jede Form gebracht werden und passen überall hin. Sie werden aber fast imner im Unterboden montiert.

Prisma-Zellen Basis

Prisma-Zellen sind mit ihrem Einzelgehäuse gross und sperrig. Aufgrund ihres grösseren Platzbedarfes verbaut man sie auch in den Mitteltunnel und unter den Sitzen. 

Pouch-Zellen Basis

Pouch Zelken kann man in verschiedenen Formen gaben und in verschuedene Modulformen packen. Sie können als Module dann wie Prisma oder wie Rundzellen Akkupacks weiter verbaut werden. Wenn man sie horizontal legt, können auch flache Akkupacks für den Unterboden realisiert werden.




eAutos mit den verschiedenen Akku-Pack Typen 

Rund-Zellen Basis

Prisma-Zellen Basis

Pouch-Zellen Basis


Rundzellen 18650/2170 (Tesla)

- Geringe Bauhöhe

- Günstig zu bauen
- Gut zu klimatisieren
- Gut für Spitzenleistung
- Aus vielen kleinen Zellen
- Guter Zellenmantel (stabil)
- Komplexes Akku-Mgmt.
- Kleiner Ladestrom pro Zelle
- Lange Lebensdauer erwartet

Prisma Zellen

(BMW, Nissan)

 

- Zellen & Bauhöhe gross

- Zellen mit Gehäuse teuer 

- Zelle in Metall Gehäuse

- Einfach für Akkupack Bau

- Schlecht klimatisierbar

- Schwierig für Spitzenleistung

- Grosser Ladestrom pro Zelle

- Geringere Lebensdauer erw.

- Am Verschwinden

Pouch Zelle

(Jaguar, Audi, Koreaner)

 

- Zelle & Bauhöhe gross

- Zelle teuer

- Weiche Oberfläche

- Keine Eigen-Stabilität

- Schwieriger Akkupack Bau

- Schwieriger klimatisierbar

- Schwierig für Spitzenleistung

- Grosser Ladestrom pro Zelle

- Mittlere Lebensdauer erw.


Die unterschiedlichen Akku-Zellen Bauform hat ebenfalls grossen Einfluss auf die Kosten, die Lebensdauer und die Eigenschaften des Akkus. 

    • Markt Referenz: Rundzellen, Pouch am Aufholen

eAuto Akku haben in der Regel nach dem Auto ein 2. Leben als Haus-Akku, Ladestationen-Akku oder zur Stromnetz Stabilisierung, bevor sie dann nach 20-30 Jahren zu >98% recycled werden.

Innert der kommenden 5-8 Jahre kann mit einer 3-fachen Akku Kapazität gerechnet werden

Laut Experten ist in den kommenden 5-8 Jahren nebst der stetigen Optimierung der Zell-Chemie heutiger Akkus keine massive Steigerung der Kapazitäten mit komplett neuen Akku-Typen zu erwarten, weil die wissenschaftlichen Hürden doch enorm sind und sowohl Langlebigkeit und auch Serienreife zuerst auch noch zu erklimmen sind. Irgendwann in dieser Zeitspanne wird sich die Energiedichte aber schrittweise verdoppeln und verdreifachen lassen. Lassen wir uns überraschen, was für Akku-Packs in der Zwischenzeit mit den Pulver Elektrolyten und den UltraCaps gebaut werden.  


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