Die kürzlich erschienene „Energiespeicher-Roadmap“ des Fraunhofer–Institutes für System- und Innovationsforschung prophezeit in den kommenden Jahren einen fulminanten Anstieg der Batterienachfrage. Die Gründe hierfür sind vor allem auf eine deutlich gesteigerte Akkuperformance in Bezug auf das Preis-Leistungs-Verhältnis zurückzuführen. Ein besonders hohes Wachstumspotential besitzen Hochvoltbatterien, da hier durch den technischen Fortschritt völlig neue und innovative Möglichkeiten zur Anwendung entstehen. Im Folgenden wird daher speziell auf den Aufbau und die Funktionsweise der Hochvoltspeicher eingegangen.

Die Vorteile der Hochvoltspeicher

Als Hochvoltspeicher wird eine Batterie mit Klemmspannungen größer als 60 VDC bezeichnet. Der Erfolg eines jeden Batteriesystems wird durch die Kosten, die Effizienz und die Flexibilität definiert. Der Vorteil bei der Verwendung der Hochvoltspeicher liegt in dem in Abhängigkeit der Spannung geringeren Strömen im Vergleich zu Niedervoltsystemen. Dies reduziert die ohmschen Verluste, vereinfacht das Thermomanagement und erhöht dadurch den Wirkungsgrad. Kleine Ströme senken auch die Kosten für Bauteile peripherer Elektronikkomponenten und durch die Verwendung dünnerer Kabel kann eine Gewichtsersparnis erzielt werden.

Wie ist ein Hochvoltspeicher aufgebaut?

Jeder Hochvoltspeicher besteht aus mehreren einzelnen Batteriezellen. Werden diese Zellen in Reihe geschaltet, erhöht sich die Gesamtspannung des Speichers. Durch ein paralleles Verschalten kann die Kapazität und die Strombelastbarkeit erhöht werden. Das Produkt aus Spannung und Kapazität liefert den Energiegehalt des Speichers und ist ausschließlich von der verwendeten Anzahl von Einzelzellen abhängig. Ein Vergleich verschiedener Batterien anhand der Amperestunden ohne Berücksichtigung der Klemmspannungen ist somit nicht möglich. Dies führt vermehrt zu einer Angabe der Wattstunden, welche eine Gegenüberstellung unterschiedlicher Systeme ermöglicht.

Die in der Gesamtbatterie verschalteten Einzelzellen haben aufgrund der Fertigungsprozesse voneinander abweichende Innenwiderstände. Diese Abweichungen driften während dem Produktlebenszyklus immer weiter auseinander, was sich negativ auf die nutzbare Kapazität sowie die Lebensdauer auswirkt. Aus diesem Grund werden in Hochvoltspeichersystemen sogenannte Balancer und Batteriemanagementsysteme verwendet, die Einzelzellspannungen überwachen und gegebenenfalls angleichen können. Um im Falle einer Störung die Umgebung vor der potentiell gefährlichen Spannung zu schützen verwenden viele Hochvoltspeicher einen sogenannten Interlock Loop. Dieser ermöglicht bei offen liegenden Kontakten von am Hochvoltbus angeschlossenen Geräten oder batterieinternen Defekten das Öffnen eines integrierten Relais, welches die für den Nutzer oder Servicepersonal von außen zugänglichen Klemmen spannungsfrei schaltet.

Funktionsweise von Batteriezellen

Eine Batterie setzt sich, wie oben beschrieben, aus mehreren einzelnen galvanischen Zellen zusammen. Dabei unterscheidet man zwischen Primärzellen, welche nicht wieder aufladbar sind, und Sekundärzellen, die mehrmals aufgeladen werden können. In Hochvoltbatterien werden nahezu ausschließlich Sekundärzellen verwendet. Hier wird die beim Laden zugeführte elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt.
Grundsätzlich besteht jeder Akkumulator aus zwei sich in ihrem elektrischen Potential unterscheidenden Elektroden, der Anode und der Kathode. Durch einen elektrochemischen Prozess werden die Elektroden einer Stoffänderung unterzogen, bei der geladene Atome, sogenannte Ionen, adsorbiert bzw. absorbiert werden. Wird eine galvanische Zelle geladen, findet am Pluspol eine Oxidation, und am Minuspol eine Reduktion statt, wodurch eine Potentialdifferenz aufgebaut wird, welche als Klemmspannung an der Zelle messbar ist. Während eines Entladevorgangs laufen diese chemischen Reaktionen umgekehrt ab. Per Definition fungiert immer diejenige Elektrode als Anode, an der eine Oxidation stattfindet. An der Kathode dagegen läuft immer eine Reduktion ab. Daher ist beim Entladen der Minuspol und beim Laden der Pluspol die Anode.

Die bei diesem Prozess freiwerdenden Ionen können sich in einem die Elektroden umgebenden Elektrolyten frei bewegen. Um die Batterie vor einem Zellschluss, einem direkten Kontakt der Elektroden, zu schützen, werden sie durch einen Separator räumlich und elektrisch voneinander getrennt. Der Separator muss dabei jedoch für die Ionen durchlässig sein.
Tritt beim Entladen ein elektrochemisches Gleichgewicht auf, ist die Zelle vollständig entladen, und die Klemmspannung beträgt 0 VDC. Dieser Zustand schädigt eine Sekundärzelle irreparabel und sollte zwingend verhindert werden.

Chemische Zusammensetzung von Batteriezellen im Hochvoltspeicher

Die Performance der Hochvoltspeicher wird durch die Zellchemie bestimmt. Je nach chemischer Zusammensetzung der Elektroden und des Elektrolyten ändern sich der Innenwiderstand, die Nennspannung, die Energiedichte und natürlich auch der Preis der Zelle. Während in Hochvoltspeichern durch das serielle Verschalten der Einzelzellen die Nennspannung in der Regel keine Probleme bereitet, hat der Innenwiderstand Einfluss auf die Strombelastbarkeit und die Ladezeit sowie die Energiedichte auf die Größe und das Gewicht der Batterie.

Häufig verwendete Elektrodenmaterialien sind zum Beispiel Blei, Nickel-Cadmium, Lithiumeisenphosphat oder Lithiumtitanat, welche sich alle in ihren elektrischen Eigenschaften unterscheiden und für bestimmte Anwendungen von Vorteil sind. Aufgrund des stark steigenden Bedarfs an Batterien gibt es bereits heute Engpässe bei der Gewinnung und Lieferung von Rohstoffen die zur Herstellung von Akkumulatoren notwendig sind. Als Beispiel kann hier der Produktionsengpass von Kupferfolien oder das dringend benötigte Element Cobalt aufgeführt werden, welches die Energiedichte in Lithiumionen-Akkus erhöht. Diese Probleme dürften sich zukünftig weiter deutlich verschärfen.

Hochvoltspeicher in der Praxis

Bei einem Hochvoltspeicher unterscheidet man grundlegend zwischen mobilen und stationären Systemen. Beispiele für mobile Speicher sind unter anderem die Traktionsbatterien in elektrischen Fahrzeugen, während stationäre Speicher häufig zur Überbrückung von Netzschwankungen bzw. Netzausfällen in kritischen Anwendungen wie Krankenhäusern und Rechenzentren dienen. Dabei müssen die Systeme je nach Applikation unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Im Gegensatz zu der in den meisten PKW verwendeten 12 VDC Starterbatterien hat der Gesetzgeber für andere Batterien bisher noch kein Pfandsystem vorgeschrieben. Aufgrund der knappen Rohstoffsituation und den damit verbunden hohen Kosten ist ein nachhaltiges Recyclingprogramm aber unerlässlich.