Warum sind Autobatterien immer noch so schwer?

Als ich ein Kind war, waren Autobatterien riesige, schwere Plastikklumpen, die mit Blei und Säure gefüllt waren. Früher wogen sie fast so viel wie ein Mobiltelefon (etwas übertrieben, sorry).

45 Jahre später sehen Autobatterien immer noch gleich aus und wiegen dasselbe.

Warum wiegen Batterien in der heutigen Zeit, in der der Kraftstoffverbrauch im Vordergrund steht, immer noch 40 Pfund? Warum konnten technologische Fortschritte sie nicht leichter und effizienter machen?

Also, jetzt nach der Antwort auf Ihre Frage zu Ihrer eigentlichen Frage , die Sie leider nicht gestellt haben

Die Batterietechnologie ist in den letzten 100 Jahren so weit fortgeschritten. Die Blei-Säure-Starterbatterie wurde 1920 in Autos üblich, Blei ist im Wesentlichen giftig und Schwefel- / Blei-Säure ist nicht weniger gefährlich. Sie neigen dazu, bei kalten Temperaturen zu versagen, besonders wenn sie nicht regelmäßig gewartet werden, und obwohl sie offensichtlich billig zu produzieren sind, muss der gesamte Umgang mit ihnen, einschließlich der gesetzlichen Anforderungen zur Rücknahme alter Batterien, ein Albtraum sein.

Warum hat die Branche nicht einfach eine Grenze gezogen und auf LiIon oder gute alte NiCd- oder NiMH-Akkus umgestellt, jetzt, wo Elektroautos gezeigt haben, dass Sie mit diesen Akkus jahrelang zuverlässig fahren können?

Die NiCd-Akkus sind in jeder Hinsicht schlechter als die Blei-Säure-Energiedichte. NiMH ist besser, aber viel teurer und weist in der Regel immer noch eine höhere Entladerate auf (es sei denn, Sie verteuern sie noch mehr). Und immer noch ziemlich schwer zu entsorgen.

Lithiumbatterien sind nicht so einfach zu handhaben. Sie müssen sie vor allen Arten von Ausfällen schützen, und einige von ihnen sind ziemlich tödlich: Überhitzen Sie Ihre Lithiumbatterie nicht. Es wird explodieren. Und Hitze ein ernstes Problem in einem Motorraum ist (in Fairness, eine Batterie nicht hat , um dort zu sein, aber es ist ziemlich praktisch).

Der Hauptgrund ist wirklich die Kosten. Die Batterie in meinem letzten Auto, einem 1999er Fiat Punto, lieferte maximal 100 A (als ich versuchte, den tatsächlichen Kurzschlussstrom zu schätzen, ungefähr 43 A, aber immer noch viel. Sagen wir P = U · I = 12V · 40A = 480W ) Strom und hatte eine Nennkapazität von ca. 30 Ah (das ist eine Energie von 12V · 30Ah = 360Wh). Es hat mich 25 € gekostet. Also, grobe Schätzung, es ist billiger als 10 € zu produzieren.

Nehmen wir also einen Lithiumbatterietyp, der in Massenproduktion hergestellt wird und daher billig ist. Die häufig vorkommenden runden Zellen, aus denen viele Laptop-Akkus bestehen, kosten jeweils etwa 3 € (sagen wir 1 € in der Produktion) für etwa 3Ah (11,1Wh) und liefern bei einigen bis zu 5A (Spitzen, machen Sie das nicht lange) 3,7 V. Das heißt, eine einzelne Zelle von diesen kann 18,5 W liefern. Um also die geschätzten 480 W meiner billigen Autobatterie zu erreichen, bräuchten Sie 26 davon. Sie kosten 26 € in der Produktion, ohne die Euro, die Sie für Steuerung, Aufladung und Schutzschaltung ausgeben, um sie in etwas Starres und Sicheres zu hüllen, und die Tatsache, dass die Mineralien zur Herstellung einiger der Seltenmetallkomponenten in Lithium benötigt werden Batterien werden derzeit nicht billiger, und die Ausrüstung von Autos auf der ganzen Welt mit solchen wird diesen Marktmechanismus definitiv beschleunigen.

Nehmen wir an, die Kosten hängen von der Kapazität ab. Mein 26-Zellen-Lithium-Akku hat 26 · 11,1Wh = 288,6Wh Energie. Wir müssen das also auf 1,25 skalieren, um die gleichen 360 Wh wie die Blei-Säure-Batterie zu erreichen.

Eine solche Zelle wiegt etwa 90 g. Das Gewicht der Zellen beträgt also 26 · 90 g = 2,34 kg. Ok, ich habe nicht das genaue Gewicht meiner billigen Autobatterie im Kopf, aber sagen wir, es waren 15 kg. Wenn unser Gehäuse und unsere Elektronik leicht sind, haben wir um den Faktor 6,3 Gewicht gespart (das ist nicht der Fall - soweit ich das beurteilen kann, benötigen Sie ein starkes Schaltnetzteil, um diese Geräte effizient aufladen zu können Der Generator Ihres Autos besteht hauptsächlich aus einer ziemlich sperrigen Kupferspule und einem Ferritkern, der auch nicht gerade leicht ist.

Dies führt zu einem Kostenfaktor von ungefähr 3,5 zwischen Komponente A und Komponente Alternative B mit Nachteilen bei der Handhabung, geringerer Zuverlässigkeit und Änderungen der Lieferkette. Kein Wunder, dass die Autoindustrie nicht in diese Richtung drängt. (Übrigens, sie haben eine hervorragende Lobby.)

Also, offensichtliche Antwort zuerst:

Warum wiegen Batterien immer noch 20 kg?

Weil sie immer noch die gleichen Bleibatterien sind. So einfach ist das. Keine andere Technologie kam an die niedrigen Kosten pro Ampere (und Amperestunde) heran, an die Zuverlässigkeit und die einfache Handhabung. 20 kg sind nicht so schwer, wenn man bedenkt, dass "Kraftstoffverbrauch" immer noch bedeutet, dass ein durchschnittliches neues Auto Dutzende Kilogramm "Komfort" -Funktionalität enthält und allein für die Metallteile etwa 1 Mg wiegt.

45 Jahre später sehen Autobatterien immer noch gleich aus und wiegen dasselbe.

45? Mehr wie 120 Jahre ... aber ja. Wir bauen immer noch Brücken aus Stahl, unser Beton ist besser geworden, aber es ist immer noch Beton. Wir verwenden Asphalt für Straßen. Kupfer ist immer noch unser Lieblingsleiter Unsere Kühlschränke basieren immer noch nicht auf effizienteren Wärmetransportmitteln, sondern auf der Komprimierung von mehr oder weniger gefährlichen Flüssigkeiten.

Die neuesten Batterien sind viel leichter und kosten über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs weniger als früher. Sie verwenden jedoch keine LA-Chemie (Blei-Säure-Chemie).

Eine LiFePO4-Batterie (Lithium-Ferro-Phosphat-Batterie) leistet das, was zu akzeptablen Gesamtkosten, aber zu höheren Anschaffungskosten erforderlich ist - was sie für Autohersteller unattraktiv macht.

Niedrige Anschaffungskosten scheinen der Hauptgrund für den Vorzug von Blei gegenüber LiFeO4 zu sein, und es ist nicht offensichtlich, dass es auch andere wirklich gute Gründe gibt.

Die Lebensdauer ist sehr viel länger als die von Bleisäure, wodurch die gesamten Lebenshaltungskosten niedriger sind als die von Bleisäure.

Im Gegensatz zu LiIon (Lithium-Ionen) verursacht ein "Spike durch das Herz" nicht die Probleme, die ein LiIon hat.

Die Ladesteuerung ist "einfach genug".

Im Vergleich zu Blei:

Zulässige Entladungstiefe und maximal zulässige Laderaten sind höher.

Temperaturbereich ist besser

Die Effizienz beim Aufladen ist besser.

Selbstentladungsleistung ist besser.

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Lithium-Ionen / LiIon:

Es lohnt sich, LiIon-Akkus zu kommentieren, da sie in Bezug auf die Sicherheit häufig "schlecht drängen".

Im Vergleich zu Blei-Säure bietet die LiIon-Chemie wesentlich bessere Massen- und Energiedichten (leichter und kleiner), eine etwas längere Lebensdauer, höhere Kapitalkosten und wahrscheinlich etwas bessere Gesamtkosten. Richtig verwaltet, ist die Ladesteuerung einfacher. Temperaturbereiche sind besser, die Lade- / Entladeeffizienz ist etwas besser. Nachteile in Bezug auf die Sicherheit sind größtenteils kein Thema - siehe unten.

In vielen Anwendungen sind LiIon-Batterien die Batterie der Wahl - vom Dreamliner über Samsung-Handys bis hin zu "Hoverboards", Mars Rovers über Laptops und Smartphones bis hin zu MP3-Playern und mehr. Die ersten drei oben genannten Anwendungen wurden aufgrund ihrer bekannten spektakulären Fehler ausgewählt. Aber alles, was in einem Mars Rover zum Einsatz kommt, wird aufgrund seiner Eignung für eine langlebige, feindliche Umgebung ausgewählt, die keine Aufgabe scheitern darf. Und es gibt Hunderte Millionen LiIon-Batterien im täglichen Gebrauch in den Taschen von Menschen, in Privathaushalten, in Autos und mehr.

Angesichts der Art und Weise, in der LiIon-Batterien versagen KÖNNEN, sind die Zahlen, die auf spektakuläre Weise versagen, sehr selten. Häufig gemeldete Ausfälle sind häufig auf systembedingte Ausfälle zurückzuführen, die sich auf eine Charge oder ein Batteriemodell auswirken, die bzw. das in großen Mengen hergestellt und vertrieben wurde, ODER auf geringere Stückzahlen bei hochkarätigen Anwendungen. In solchen Fällen verursacht oder ermöglicht ein Konstruktions- oder Herstellungsfehler oder -mangel Fehler, deren Konsequenzen durch das unerbittliche Verhalten der LiIon-Chemie verschärft werden.

Beispiele dafür sind bekannte "vent with flame" -Ereignisse in einigen früheren Apple-Laptops, Samsung-Handys, selbstausgleichenden "Hoverboards" und ähnlichen. In den ersten beiden Beispielen erlaubten in der Regel die zuständigen Hersteller, dass ein Konstruktionsfehler unkorrigiert und / oder unbemerkt auftrat, oder schnitten die Ecken in der Fertigung so weit ab, dass die Sicherheitsmargen sie einholten. Bei den "Hoverboards" ist mir die Ursache nicht bekannt, aber es besteht die Gefahr, dass sie zu niedrigen Herstellungskosten und einer schlechten Ladungskontrolle führen. In Verbrauchergeräten ist der Ausfall von LiIon-Batterien häufig auf einen Kurzschluss in einer Zelle zurückzuführen, der auf unzureichende Abstände und die daraus resultierende Schlagempfindlichkeit zurückzuführen ist, oder auf Abweichungen der statistischen Fertigungstoleranz am äußersten Ende.

Im Fall von Boeing Dreamliner-Batteriefehlern habe ich noch keinen endgültigen Grundbericht gesehen, ABER während eine Reihe von bekannt gewordenen Fehlern (und möglicherweise einige nicht veröffentlichte) in einem sehr kleinen Produktvolumen auftraten, waren die Folgen erstaunlich gut eingegrenzt .

Eine detaillierte Untersuchung von LiIon-Fehlern und -Modi und Konsequenzen zeigt, dass sie fast immer bei weitem nicht so gewalttätig sind, wie der populäre "Mythos" andeutet, und dass die Energiefreisetzung zwar erheblich ist, die Eindämmung jedoch technisch relativ einfach ist. Containment erhöht das Gewicht, das Volumen und die Kosten und ist kaum in Laptops oder tragbaren Taschengeräten anzutreffen. Es ist in Dreamlinern zu finden und kann problemlos in Einzelbatterie- (dh Nicht-EV-) Anwendungen für Kraftfahrzeuge verwendet werden, wobei Gewicht und Volumen immer noch deutlich unter dem Blei-Säure-Gehalt liegen und nur geringe zusätzliche Kosten verursachen. Bei Anwendungen von Elektrofahrzeugen scheinen die Probleme "gut genug" gelöst oder gelöst worden zu sein. Ich habe keine Expertise in den Bereichen der Fahrzeugsicherheit, Ich bin jedoch zuversichtlich, dass die Vorschriften, die uns spektakuläres Crash-Dummy-Material liefern und das Catting von hochflüchtigen Erdölkraftstoffen in Personenkraftwagen ermöglichen, auch die Sicherheitsprobleme bei LiIon-Stromquellen angehen. Ich habe noch nie von einem Tesla-Auto gehört, das durch einen Batterieausfall in Brand gesteckt wurde - obwohl dies möglicherweise vorgekommen ist -, und ich stelle mir vor, dass Musk und Co. glauben, dass sie diesen Risikobereich "in ausreichender Hand" haben.

Ich habe zu meiner Enttäuschung noch nie ein LiIon-Ereignis mit offenem Ausströmen gesehen und kenne niemanden persönlich, der dies getan hat. Vorkommen sind häufig genug, um gelegentlich die neuseeländischen Nachrichten zu verbreiten (die neuseeländische Bevölkerung liegt unter 5 Millionen).

LiIon versus LiFePO4:

Im Vergleich zu LiFePO4 bietet die LiIon- Chemie etwas bessere Massen- und Energiedichten (etwas leichter und kleiner), eine wesentlich geringere Lebensdauer, etwas geringere Kapitalkosten (pro Energiekapazität) und wesentlich geringere Gesamtkosten. Die Ladekontrolle ist in etwa gleich, LiFePO4 ist jedoch in Grenzfällen wesentlich schwerer zu beschädigen. Die Temperaturbereiche sind nicht so gut, die Lade- / Entladeeffizienz ist ungefähr gleich. LiFePO4 ist weitaus weniger sicherheitsrelevant.

In Bereichen, in denen die kleinste Größe und das geringste Gewicht sowie die niedrigsten Kapitalkosten eine Rolle spielen (zum Beispiel bei der Verwendung von Elektrofahrzeugen), ist LiIon LiFePO4 überlegen.

In fast allen anderen Bereichen und Anwendungen ist LiFePO4 besser oder viel besser als LiIon, und ich würde sie als die derzeitige Batterietechnologie der Wahl für Energiespeicher mit langer Lebensdauer und hoher Zykluszahl betrachten.

Lithium-Starterbatterien gibt es hauptsächlich für Rennsport- oder andere Leistungs- oder Luxusanwendungen, bei denen die Gewichtsersparnis oder die Prahlerechte die Kosten wert sind.

Wie andere angemerkt haben, sind die Anforderungen an die Anwendung jedoch eher extrem und die Lithiumtechnologie erfordert eine Menge spezieller Entwicklung und Sorgfalt, um die Rolle einer Anlasser- / Zusatzbatterie in einem Kraftfahrzeug zuverlässig und sicher erfüllen zu können. Die Preise sind extrem hoch - leicht das Zehn- bis Zwanzigfache der Kosten einer normalen Bleibatterie. Die meisten Leute wollen nicht 1000 Dollar für ihre Autobatterie bezahlen, also tun sie es nicht.

Die Antwort ist sehr einfach: Weil wir nichts Besseres gefunden haben.

Eine Autobatterie muss über einen langen Zeitraum geladen bleiben, einen großen Strom liefern und auf kleinem Raum passen. Und es würde helfen, wenn es nicht zu teuer ist.

Bleisäure ist immer noch die beste Lösung für diese Anforderungen.

Sie könnten eine auf Lithium basierende Chemie verwenden, die die Ladung halten und große Ströme liefern kann. Sie sind außerdem weitaus teurer, temperaturempfindlicher, erfordern eine höhere elektrische Sorgfalt und sind spektakulärer, wenn sie elektrisch oder mechanisch falsch behandelt werden.
Die zusätzlichen Kosten und die Komplexität sind einfach nicht die Vorteile einer Reduzierung der Endmasse des Autos um <1% wert.

Ich habe gesehen, dass Sie am Ende Ihres Beitrags eine neue Frage hinzugefügt haben:

Warum konnten technologische Fortschritte sie nicht leichter und effizienter machen?

Denn so funktioniert Chemie nicht.

Die Kapazität eines einzelnen Batterietyps wird im Wesentlichen durch die Menge der Ionen definiert, die Sie haben - und im Fall von Blei-Säure-Batterien entspricht dies im Wesentlichen der Menge an Blei, die Sie benötigen, zuzüglich einiger, die die Struktur intakt halten.

Jetzt leiden andere Batterietypen unter einem Mangel an Oberfläche oder einer eingeschränkten Ionenmobilität, die die Fähigkeit der Batterie, einen hohen Strom zu erzeugen, einschränken. Sie können jedoch nicht viel tun, um die Kapazität der Blei-Säure-Batterie zu erhöhen - Wasser ist ein ausgezeichneter Träger für die Chemikalien beteiligt, und die derzeitige Sourcing-Fähigkeit einer Blei-Säure-Batterie ist so gut wie am Maximum.

Daher ist es einfach eine ausgereifte Technologie. Genauso wie wir billigen Baustahl in den letzten 80 Jahren nicht viel besser gemacht haben, gibt es nicht viel zu tun, um Blei-Säure-Batterien zu verbessern, ohne das Blei-Säure-Prinzip aufzugeben, mit all den Problemen, die meine zweite Antwort erklärt .

Der Einsatz eines Superkondensators als Starterbatterie ist durchaus machbar und wurde von Enthusiasten in der Praxis erprobt, siehe Beispiel . Abgesehen von höheren Preisen werden einige Beispiele für praktische Schwierigkeiten angegeben:

• Supercap alleine, während das Auto leichter gestartet wird als die Blei-Batterie, entlädt sich in etwa einer halben Stunde nach dem Radiohören, wenn es nicht kontinuierlich aufgeladen wird.
• Die direkt angeschlossene Lithiumbatterie + Supercap-Kombination leidet nicht darunter, sondern wurde beschädigt, als er damit einen Rasenmäher startete - die Li-Batterie würde zusätzliche Elektronik benötigen, um dies zu verhindern.

Hauptsächlich ein Grund: Preis. Es gibt technologisch bessere Alternativen wie Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos, aber sie sind auch viel teurer. Diese Batterien werden unbedingt in Elektroautos benötigt, in denen eine enorme Kapazität benötigt wird, ohne das Gewicht des Fahrzeugs erheblich zu erhöhen (Bleibatterien wären zu schwer, wenn sie den Kraftstofftank als einzige Energieversorgung für das Auto ersetzen müssten) kraftstoffbetriebene Autos Das Gewicht einer einzelnen klassischen Bleibatterie, die nur zum Starten des Motors verwendet wird, ist im Vergleich zum Fahrzeuggewicht nicht signifikant, während das Preis- / Leistungsverhältnis dramatisch niedriger ist. Es ist ein Kosten / Effizienz-Problem: Sie sind billiger, sie liefern genug Energie für den Fahrzeugbedarf und ihr Gewicht ist nicht relevant.