Antriebsbatterie

Aufgabe und Grundaufbau

Eine Antriebsbatterie, auch Traktions-, Zyklen- oder Fahrbatterie, ist ein elektrischer Energiespeicher für den Elektromotor eines Elektrofahrzeugs. Sie versorgt auch Pufferbatterien in Brennstoffzellenfahrzeugen und Hybridantrieben. Nach dem deutschen Batteriegesetz (BattG) ist sie eine Industriebatterie, nicht eine Fahrzeugbatterie.

Sie besteht aus vielen Akkuzellen, einem Batteriemanagementsystem (BMS) und meist einem Thermomanagement zum Kühlen und Heizen. Zellen werden in Reihe geschaltet, um die Spannung zu erhöhen; größere Zellen oder Parallelschaltungen erhöhen Kapazität und mögliche Strombelastung. Der Energiegehalt ergibt sich aus Spannung in Volt mal elektrischer Ladung in Amperestunden.

Elektroautos arbeiten meist mit mehreren Hundert Volt Gleichspannung und werden deshalb auch Hochvolt-Speicher genannt. Systeme über 400 V bis etwa 1000 V sind bei leistungsstarken Elektroautos, Elektrobussen und Elektrolastkraftwagen verbreitet. Pedelecs und Elektroroller nutzen typischerweise 24, 36 oder 48 V. Elektrische Gabelstapler verwenden häufig 80-V-Bleibatterien, die zugleich als Gegengewicht dienen.

Anders als Starterbatterien sind Traktionsbatterien auf viele Lade-Entlade-Zyklen statt auf höchste Leistungsdichte ausgelegt. Verbraucher wie Licht, Scheibenwischer oder Radio werden gewöhnlich über ein separates 12- oder 48-V-Bordnetz versorgt. Die Hochvoltbatterie ist gegenüber der Fahrzeugkarosserie elektrisch isoliert eingebaut; bei einer Starterbatterie ist dagegen der Minuspol mit der Karosserie verbunden.

Leistung, Kapazität und Fahrzeugbetrieb

Antriebszellen haben gegenüber Konsumerzellen eine deutlich höhere Kapazität. Einheitliche Zellgrößen gibt es nicht: Verwendet werden Rundzellen, prismatische Zellen und Pouch-Zellen. Das System muss hohe Ströme beim Beschleunigen abgeben, beim Rekuperieren aufnehmen und viele Zyklen überstehen. Spezielle Blei-Antriebsbatterien können beispielsweise bis zu 80 % tiefentladen werden, ohne Schaden zu nehmen.

Hohe Spannung senkt bei gleicher Leistung die Stromstärke. Dadurch werden ohmsche Leitungsverluste, Wärmeverluste beim Laden und Entladen sowie das Kabelgewicht verringert. Gabelstapler können aus Zellen mit 100 bis über 1000 Ah Betriebsspannungen von 24 bis 96 V bilden; Elektroautos erreichen mehrere Hundert Volt.

Die Nennkapazität ist die vom Hersteller unter festgelegten Bedingungen zugesicherte entnehmbare Energiemenge. Die Kennzeichnung C_x gibt die Entladedauer in Stunden an. Bei C_3 60 Ah können bei gleichmäßiger Entladung 20 A drei Stunden lang entnommen werden; C_5 60 Ah entspricht 12 A, C_20 60 Ah 3 A. Für belastbare Lithium-Ionen-Zellen wird die C-Rate verwendet: Bei 3,2 V und 100 Ah bedeutet 0,5 C einen Messstrom von 50 A. Eine Dauerbelastung von 3 C kann im Beispiel 300 A betragen, kurzzeitig sind 20 CA beziehungsweise 2000 A möglich; bei hohen Strömen sinkt aber die entnehmbare Kapazität.

Verglichen wird deshalb meist der Energieinhalt in kWh. Starterbatterien benötigen etwa 0,5 bis 1 kWh, Gabelstapler-Traktionsakkus 4,8 bis 28,8 kWh, der Toyota Prius II 1,3 kWh. Elektroautos besitzen zehn- bis hundertfach größere Akkumulatoren.

Packbau, Temperatur und Sicherheit

Ein Batteriepakt für Fahrzeuge muss Crashs überstehen und verhindern, dass ein thermisches Durchgehen einer Zelle — eine sich selbst verstärkende Überhitzung — den gesamten Pack funktionsunfähig macht. Für High-Power-Charging (HPC) ist eine wirksame Kühlung nötig. Das Thermomanagement kann die Zellen schon auf dem Weg zur Ladesäule vorkonditionieren und bei Bedarf erwärmen.

Beim verbreiteten mehrstufigen Aufbau werden Zellen zunächst zu Modulen und die Module zu einem in Reihe geschalteten Pack zusammengefasst. Ein festes Gehäuse, Leiterrahmen, Kabelbaum, Kühlflüssigkeit, Bleche und Überdruckventile schützen und verbinden die Bauteile. Flache Packs können im Unterboden sitzen, die Karosserie versteifen und bei passenden Fahrzeugen vollständig gewechselt werden. Der Energiegehalt auf Pack-Ebene ist geringer als auf Zellebene, weil Gehäuse, Kühlung und weitere Bauteile keinen Strom speichern. Rundzellen in Modulbauweise erreichen bei der volumetrischen Energiedichte auf Pack-Ebene weniger als die Hälfte der Zellebene.

Beim Cell-to-Pack (CTP) entfallen Module; beim Cell-to-Chassis (CTC) werden Zellen in die Karosserie eingebaut. Seit 2022 nennt der Artikel drei wichtige CTP-Varianten: die BYD Blade Batterie mit wassergefüllter Kühlplatte, die CATL Qilin Structural Battery mit Kühlrohren und Pouch-Zellen sowie die Tesla 4680 Structural Battery mit verbundenen Rundzellen und schlängelnden Kühlrohren. Die Tesla-Variante erreicht 91 % der Energiedichte ihrer Rundzellen. CTP erhöhte besonders die Bedeutung von LFP-Zellen in den 2020er Jahren.

Die mobile Nutzung stellt hohe Sicherheitsanforderungen. Sicherheit wird durch Zellchemien wie Lithium-Eisenphosphat, crashgetestete Batterietröge und deren Kombination erreicht. Fahrzeugbrände mit Lithium-Antriebsbatterien kommen vor und sind für die Feuerwehr schwer zu bekämpfen. Als Beispiel für die Bedeutung dieses Problems wird der verzögerte Produktionsstart des Opel Ampera genannt, nachdem die Batterie des baugleichen Chevrolet Volt erst Wochen nach einem Crashtest brannte.

Nutzbare Kapazität, Alterung und Laden

Die nutzbare Kapazität ist kleiner als die Nennkapazität. Bei hohen Strömen sinkt sie bis zur festgelegten Schlussspannung durch den Peukert-Effekt. Bei einer Reihenschaltung begrenzt außerdem die Zelle oder der Zellblock mit der geringsten Kapazität den nutzbaren Bereich, weil sonst Tiefentladung droht. Fertigungs- und Nutzungsunterschiede führen bei Zellen zu abweichender Kapazität und unterschiedlichem Innenwiderstand. Balancer und BMS gleichen diese Unterschiede aus oder begrenzen sie.

Tiefe Temperaturen vermindern die mögliche Stromabgabe und verstärken den Peukert-Effekt. Daher besitzen viele Fahrzeuge eine Batterieheizung, teils über eine Wärmepumpe. Heizung, Klimaanlage und die Temperierung aus dem eigenen Energiegehalt verringern die winterliche Reichweite. Wärme verbessert auch Laden und Rekuperation. Um die Lebensdauer zu erhöhen, begrenzt das BMS die Entladetiefe oft auf 60 bis 80 % der Nennkapazität. Beim Chevrolet Volt beziehungsweise Opel Ampera sind von 16 kWh nur das Fenster von 30 bis 80 %, also 50 %, nutzbar.

Zur Alterung nennt der Artikel mehrere Angaben: Bei Tesla Roadstern ergab eine Fahrerumfrage nach 160.000 km noch 80 bis 85 % Restkapazität. LFP-Antriebsakkus erreichen nach Herstellerangaben bei 70 % Entladetiefe mehr als 5000 Zyklen. Eine Studie von 2019 nannte etwa 2,3 % jährlichen Kapazitätsverlust; bis 2024 soll er auf 1,8 % gesunken sein. Eine Untersuchung mit 7000 Elektroautos ergab nach 100.000 km über 90 % Kapazität und danach kaum weitere Verschlechterung. Häufiges Schnellladen, starkes Beschleunigen, langes Stehen mit vollem Akku und Tiefentladungen können die Werte verschlechtern.

Moderne Batterien erreichen laut Artikel oft 4C oder 5C, theoretisch 12 bis 15 Minuten Ladezeit. Der Li Xiang Mega lädt bei 5C in 10 Minuten von 10 auf 80 %. BYD stellte im März 2025 eine 10C-fähige LFP-Blade-Batterie vor, CATL im April 2025 eine LFP-Shenxing-Batterie mit 12C, über 1,3 MW und theoretisch fünf Minuten Ladezeit. Bei −10 °C soll diese von 5 auf 80 % in 15 Minuten laden.

Zellchemien und typische Anwendungen

Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind seit 2009 die bevorzugte Antriebsbatterie und seit 2006 in Elektroautos fast allein vorherrschend. Der Begriff umfasst verschiedene Zellchemien. Das BMS hält untere und obere Zellspannungsgrenzen ein, weil Grenzbereiche die Lebensdauer verkürzen oder Zellen zerstören können. Empfohlen werden mittlere Entladetiefe, häufiges Nachladen und flache Zyklen; dauerndes Vollladen und tiefes Entladen sind ungünstig. Bei längerer Lagerung sollte der Ladezustand nicht über etwa 95 % liegen. LFP arbeitet am besten bei 25 bis 35 °C. Anfangs dominierten NMC-Zellen, deren Verhältnis Nickel:Mangan:Cobalt von NMC-111 über NMC-532 und NMC-622 zu NMC-811 verändert wurde; Tesla verwendete auch NCA. LFP hatte Anfang 2020 weltweit 1 % Marktanteil und Ende 2021 20 %.

Natrium-Ionen-Akkumulatoren werden seit 2023 etwa im BYD Seagull, JAC E10X und EV3 von JMEV eingesetzt. Sie besitzen eine geringere Energiedichte als hochwertige Lithium-Ionen-Akkus, sind aber wegen Natrium günstiger, benötigen weder Cobalt noch Nickel, sind weniger überhitzungsanfällig und langlebiger. Sie eignen sich besonders für günstige Kurzstrecken-Elektroautos.

Festkörperakkumulatoren werden seit 2023 beispielsweise im Nio ET7, Nio ES8, Mercedes-Benz Bus eCitaro und IM L6 eingesetzt. Sie haben höhere Energie- und Leistungsdichten, sind nicht brennbar und benötigen wegen fehlender Flüssigkeiten kaum Klimatisierung. Möglich sind laut Artikel 150 kWh und 1000 km Reichweite. Als Beispiel wird ein Akku von High Performance Battery genannt, der mehr als 12.500 Ladezyklen ohne nennenswerten Kapazitätsverlust sowie −40 °C bis +60 °C erreichen soll.

Bleiakkus werden noch in Gabelstaplern eingesetzt, sind für Fahrräder, Roller und Autos aber wegen Gewicht und Temperaturabhängigkeit weniger geeignet. NiCd ist robust und bei Kälte nutzbar, enthält jedoch giftiges Cadmium und leidet unter dem Memory-Effekt. NiMH wurde etwa im General Motors EV1 und Toyota Prius verwendet; Überladen kann es erwärmen, altern lassen und thermisches Durchgehen verursachen. Thermalbatterien wie die Zebra-Batterie eignen sich für regelmäßigen Einsatz und sind wintertauglich. Superkondensatoren können sehr hohe Ströme und bis zu 10^6 Zyklen erreichen, speichern aber nur etwa 5 Wh/kg und damit ungefähr zwanzigmal weniger Energie als Akkumulatoren.

Entwicklung, Recycling und Markt

Die erste Antriebsbatterie bestand 1881 im Trouvé Tricycle aus sechs Bleiakkuzellen zu je 2 V und hatte 12 V Nennspannung. 1882 speicherten zehn Bleizellen im Elektrodreirad von Ayrton & Perry bei 20 V bereits 1,5 kWh. Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts waren zyklenfeste Bleiakkumulatoren bei U-Booten, Akkutriebwagen, Gabelstaplern, Lastkarren und Rollstühlen praktisch Standard. Die Lithium-Ionen-Technik gewann erst im 21. Jahrhundert als Antriebsbatterie große Bedeutung.

Wegen der großen Mengen an Rohstoffen ist Recycling ökologisch und volkswirtschaftlich nötig. Für Blei-Starter- und Blei-Antriebsbatterien besteht in Deutschland ein Batteriepfand von 7,50 Euro pro Stück; die Rückführungsquote liegt über 90 %. Für moderne Lithium-Ionen-Akkus gibt es laut Artikel noch keine solche Pfandlösung.

Die Preise von Lithium-Ionen-Batterien sanken seit 1991 um 99 %. Für Kleinserien wurden 2008 bis 2010 teils deutlich über 500 €/kWh genannt, 2012 für Serienbatterien 280 bis 350 €/kWh. Im Juli 2024 kosteten LFP-Akkus laut Bloomberg New Energy 53 USD/kWh statt 95 USD/kWh ein Jahr zuvor, ein Rückgang um 51 %. Genannt werden niedrigere Rohstoffpreise, Produktionsüberkapazitäten und verbesserte Technologie sowie Herstellungsprozesse.

2024 wurden weltweit 894,4 GWh Fahrzeugakkus produziert, 27,2 % mehr als im Vorjahr. CATL erzeugte 339 GWh und hatte fast 38 % Marktanteil, BYD 154 GWh beziehungsweise 17,2 %. Es folgten LG Energy Solution mit 96 GWh, CALB mit 39,4 GWh, SK On mit 39 GWh, Panasonic mit 35 GWh und Samsung SDI mit 30 GWh.