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Interview Akku-Talk EMTB 2/2016 Interview Akku-Talk EMTB 2/2016

Interview: Zukunft der Lithium-Ionen-Akkus im E-MTB

Wie viel Potenzial steckt noch in der Li-Ionen-Technik?

Uli Stanciu am 24.12.2016

Ihre begrenzte Reichweite macht die heutigen Lithium-Ionen-Akkus zu Spaßbremsen am E-Mountainbike. EMTB sprach mit Prof. Oliver Bohlen, Experte für Energiespeicher, über die Zukunft des E-MTB-Akkus.

EMTB: Herr Prof. Bohlen, für Biker sind die erreichbaren Höhenmeter ein wesentliches Kriterium.
Was spricht dagegen, heute in ein E-Mountainbike viel größere Batterien einzubauen?

BOHLEN: technisch nichts. Es ist eine Frage von Optik, Gewicht und Kosten. Allerdings macht die reine Zelle weniger als die Hälfte der Batteriekosten aus. Der Rest steckt in Gehäuse, Elektronik, Entwicklungskosten und Marketing. Wenn man nur die Batteriezellen alleine rechnet, dann bekommt man heute schon die Zellen für einen 500-Watt-Akku für unter 100 Euro. Und der Preisverfall ist derzeit gewaltig.

Zu Größe und Gewicht: je mehr Energie, desto größer und schwerer die Batterie?

Die Größe wäre nicht das Problem. Im Rahmendreieck ist generell genug Platz für eine doppelt so große Batterie. Aber zwei Kilo mehr für einen doppelt so starken Akku – das macht vom Handling her sicher einen Unterschied. Ich sehe in puncto Gewicht allerdings noch Spielraum in der Zukunft. Batterien können leichter werden.

Wovon hängt die Gewichtseinsparung ab?

In der heutigen Lithium-Ionen-Batterie stecken in einer Zelle, die knapp 50 Gramm wiegt, nur etwa zwei Gramm Lithium-Ionen. Man könnte also noch Gewicht an der Peripherie um das Lithium herum einsparen. Bei der Lithium-Ionen- Batterie werden heute Graphit und Metalloxide als Elektroden verwendet, was ziemlich schwer ist. Man arbeitet daran, etwas Leichteres zu finden. Es gibt auch die Idee einer Lithium-Schwefel-Batterie, oder auch einer Lithium-Luft-Batterie, bei der eine Elektrode aus normaler Luft besteht.

Die Kraft der Batterie – eine Infografik von RSComponents

Und wieso überhaupt Lithium?

Es ist im chemischen Periodensystem das leichteste Metall, das erste Element, das bei Raumtemperatur nicht gasförmig ist, wie zum Beispiel Wasserstoff und Helium. Das Lithium steckt aber nicht als Metall in den Batterien, sondern als Ionen in einem Träger, einem Lösungsmittel. Das ergibt dann das sogenannte Elektrolyt. Meist ist es heute in der Batterie aufgesogen wie in einem Schwamm oder einem Gel, sodass man es nicht mehr gluckern hört.

Manche sehen eher in der Brennstoffzelle den Energielieferanten der Zukunft.

Wir haben ja heute schon Brennstoffzellen, mit denen man Tausende Kilometer weit fahren könnte. Das ist aber technologisch ein sehr kompliziertes Feld – man muss Wasserstoff komprimieren, braucht einen Drucktank, eine Kühlung. Direkt-Methanol-Brennstoffzellen sind etwas einfacher zu betreiben, haben aber einen schlechten Wirkungsgrad und sind auf absehbare Zeit keine Alternative für E-Bikes.

Wie sieht eine E-Bike-Batterie von innen aus?

Das sind einzelne Batteriezellen, meistens drei bis fünf parallel und dann zehn bis vierzehn solcher Pakete hintereinander geschaltet.

Interview Akku-Talk EMTB 2/2016

Das Innenleben des E-Bike-Akkus:
– 1 Gehäuse aus Kunststoff oder Aluminium 
– 2 Zellhalter zur Fixierung der Zellen 
– 3 Batteriezellen 
– 4 Batterie-Management-System – das "Gehirn" der Batterie 
– 5 Stecker zum Anschluss der Motor- und Ladekabel 
– 6 Zellverbinder leiten den Strom von Zelle zu Zelle

Moment, was ist der Unterschied zwischen hintereinander und parallel geschaltet?

Hintereinander geschaltet heißt, dass der Pluspol der einen Zelle mit dem Minuspol der nächsten Zelle verbunden ist. Dadurch erhöht man von Zelle zu Zelle die Spannung. Wenn eine Zelle eine Nennspannung von etwa 3,6 Volt hat, dann ergeben zehn Zellen hintereinander geschaltet eben 36 Volt. Parallel geschaltet heißt, dass jeweils zwei oder drei Zellen nebeneinander eingebaut werden, um damit die Ladungs- bzw. Energiemenge zu erhöhen. Hat ein Paket ohne Parallelschaltung zum Beispiel 100 Wattstunden, dann erreicht man mit jeweils drei parallelen Paketen eben 300 Wattstunden.

Wie schnell werden sich die Technologien weiterentwickeln?

Ziemlich sicher wird in den nächsten fünf bis zehn Jahren die Lithium-Ionen-Batterie die dominierende Technologie bleiben. Man wird immer wieder kleinere Schritte in Sachen Energiedichte, Effizienz und Gewicht machen. In diesem Zeitraum sehe ich aber noch keinen echten Technologie-Durchbruch, der die Batterien um mehr als 50 Prozent leistungsfähiger machen würde. Bis dahin können wir also vermutlich bei gleicher Größe mit etwa 50 Prozent mehr Reichweite rechnen. Erst danach sehen wir die Lithium-Schwefel- oder die Lithium-
Luft-Batterie oder auch die Brennstoffzelle fürs E-Bike kommen. Wir haben es mit chemischen Elementen zu tun, deren Eigenschaften wir heute schon kennen. Es wird also nicht eine rasante Entwicklung wie zum Beispiel beim Computer geben, bei dem sich die Rechenleistung in ein paar Jahren vertausendfacht hat. Aber der Druck der Industrie ist natürlich groß, vor allem durch den Boom der tragbaren Geräte wie Laptops, Smartphones und jetzt der E-Mobilität.

Was kann der E-Biker heute tun, um seine Batterie möglichst lange leistungsfähig zu halten?

Überladung, Tiefentladung und hohe Temperaturen schaden der Batterie. Man sollte sie mit einem guten Ladegerät möglichst bald nach der Fahrt wieder aufladen. Wenn man sie beispielsweise über den Winter länger nicht benutzt, sollte man darauf achten, dass sie nicht leer ist und besser im kühlen Keller als im warmen Wohnzimmer lagern.

Interview Akku-Talk EMTB 2/2016

EMTB im Interview mit Prof. Dr. Ing. Oliver Bohlen, Hochschule für angewandte Wissenschaften München, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Spezialgebiet Energiespeicher

Uli Stanciu am 24.12.2016