Grundlagen der Elektroautobatterie: Wie Zellen Energie speichern und abgeben

Eine Elektroautobatterie speichert Energie in chemischer Form. Beim Laden gelangen ihre Zellen in einen energiereicheren chemischen Zustand. Während der Fahrt geben die Zellen diese Energie als Strom ab, den Leistungselektronik und Motoren des Fahrzeugs in Bewegung umwandeln.

Von der Zelle zum Batteriepack

Eine Zelle ist die kleinste vollständige elektrochemische Einheit der Batterie. Eine einzelne Lithium-Ionen-Zelle liefert nur wenige Volt. Deshalb verbindet ein Elektroauto viele Zellen miteinander, um die benötigte Spannung und Energie bereitzustellen.

Zellen können zunächst zu Modulen und anschließend zu einem Pack zusammengefasst oder ohne herkömmliche Module direkt in den Pack integriert werden. Der Pack vereint die Zellen mit den Einrichtungen, die sie verbinden, schützen und steuern. Das Kapitel Batteriepack und Verschaltung behandelt elektrische Verschaltungen und den Packaufbau; Zellformate erläutert Rund-, prismatische und Pouch-Zellen.

Was steckt in einer Zelle?

In einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Zelle nehmen zwei Elektroden Lithium in ihren Aktivmaterialien auf. Die negative Elektrode besteht meist überwiegend aus Graphit; die positive Elektrode verwendet eine lithiumhaltige Verbindung. Ihre Kombination bestimmt mit, welche Spannung die Zelle aufweist und wie viel Energie sie speichern kann.

In der Batterieliteratur wird die negative Elektrode üblicherweise als Anode und die positive als Kathode bezeichnet. Diese Namen beschreiben ihre Funktion beim Entladen und werden normalerweise auch bei der Beschreibung des Ladens beibehalten.

Drei weitere Komponenten verbinden und trennen die Elektroden:

• Der Elektrolyt transportiert Ionen zwischen ihnen. Herkömmliche flüssige Elektrolyte enthalten ein in organischen Lösungsmitteln gelöstes Lithiumsalz.
• Der Separator ist eine poröse Membran, die die Elektroden voneinander trennt. Ionen können durch den Elektrolyten in seinen Poren hindurchtreten.
• Stromableiter sind leitfähige Folien, die die Aktivmaterialien mit den Zellanschlüssen verbinden. Auf der negativen Seite wird häufig Kupfer verwendet, auf der positiven Aluminium. Lithium-ion Batteries Technology Strategy Assessment (DOE, 2023)

Das separate Kapitel Zellchemie und Komponenten vergleicht Elektrodenmaterialien und Elektrolytkonzepte.

Wie Laden und Entladen funktionieren

Beim Entladen wandern Lithium-Ionen durch den Elektrolyten von der negativen zur positiven Elektrode. Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis von der negativen zur positiven Elektrode und versorgen das Fahrzeug mit elektrischer Energie. Der Elektrolyt leitet Ionen, blockiert aber den Elektronenfluss. Deshalb nehmen die Elektronen den äußeren Weg.

Beim Laden kehrt sich der Vorgang um. Eine Stromquelle führt der negativen Elektrode Elektronen zu und entzieht sie der positiven Elektrode. Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten zurück zur negativen Elektrode. Dadurch steigt die in der Zelle gespeicherte chemische Energie. DOE Explains: Batteries

Beim regenerativen Bremsen wird die Batterie mit Energie geladen, die aus der Fahrzeugbewegung zurückgewonnen wird: Der Motor arbeitet als Generator und führt über die Leistungselektronik elektrische Energie zurück.

Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen nutzen dieses gemeinsame Funktionsprinzip. Die Abbildung zeigt Lithium-Ionen (Li⁺) und Natrium-Ionen (Na⁺), die sich zwischen den Elektroden bewegen. Natrium-Ionen-Zellen verwenden Materialien, die an die anderen Eigenschaften von Natrium angepasst sind. Ankündigung der ersten Natrium-Ionen-Batteriegeneration (CATL, 2021)

Spannung, Strom, Leistung und Energie

Batteriedaten verwenden mehrere Größen, die unterschiedliche Fragen beantworten:

• Die Spannung, gemessen in Volt (V), ist die elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten.
• Die Stromstärke, gemessen in Ampere (A), beschreibt, wie viel elektrische Ladung pro Zeit fließt.
• Die Ladungskapazität, gemessen in Amperestunden (Ah), ist die Ladungsmenge, die eine Zelle oder Batterie unter festgelegten Bedingungen abgeben kann.
• Die Leistung, gemessen in Kilowatt (kW), beschreibt, wie viel Energie pro Zeit abgegeben oder aufgenommen wird.
• Die Energie, gemessen in Kilowattstunden (kWh), ist die abgegebene, aufgenommene oder gespeicherte Menge.

An den Gleichstromanschlüssen der Batterie gilt:

Leistung (kW) = Spannung (V) × Stromstärke (A) ÷ 1.000

Eine Batterie, die eine halbe Stunde lang konstant 20 kW liefert, gibt beispielsweise folgende Energie ab:

20 kW × 0,5 h = 10 kWh

Das ist die an den Batterieanschlüssen abgegebene Energie. An den Rädern kommt weniger an, weil auch Leistungselektronik und Motor Verluste aufweisen. Ebenso ist die vom Ladegerät bezogene Energie größer als die Zunahme der gespeicherten Batterieenergie, da beim Laden Verluste entstehen.

Aus der Ladungskapazität lässt sich die nominale Energie näherungsweise berechnen:

Energie (kWh) ≈ Nennspannung (V) × Kapazität (Ah) ÷ 1.000

Ah allein reicht daher nicht aus, um den Energieinhalt von Batterien mit unterschiedlichen Spannungen zu vergleichen. Die Näherung verwendet eine repräsentative Spannung. Eine genaue Energiemessung berücksichtigt dagegen die Spannungsänderungen während des Ladens oder Entladens.

Ladezustand und Betriebsgrenzen

Der Ladezustand (SOC) gibt die geschätzte verbleibende Ladung als Prozentsatz einer definierten Kapazität an. Er wird aus Messwerten wie Strom, Spannung und Temperatur geschätzt. State of Charge Estimation Using Smart Battery Charger (Texas Instruments, 2021)

Die Prozentanzeige eines Elektroautos bildet den für den Fahrer zugänglichen Betriebsbereich ab. Angezeigte 0% und 100% entsprechen nicht den absoluten elektrochemischen Grenzen der Zelle. Das Kapitel Batteriepuffer und nutzbare Kapazität erläutert Brutto- und Netto- beziehungsweise nutzbare Kapazität sowie Puffer.

Die Zellspannung hängt von SOC, Zellchemie, Temperatur und Strom ab. Die Nennspannung ist ein Referenzwert und keine Ladegrenze. Molicel nennt für seine Zelle INR-21700-P42A beispielsweise 3,6 V Nennspannung, 4,2 V Ladespannung und 2,5 V Entladeschlussspannung. Andere Zellkonzepte können andere Spannungsgrenzen verwenden. Molicel INR-21700-P42A: Datenblatt, Version 1.7

Die obere und untere Spannungsgrenze wirken sich unterschiedlich auf Laden und Fahren aus. Nahe der Vollladung sinkt die Ladeleistung, damit die Zellen ihre obere Spannungsgrenze einhalten. Bei niedrigem Ladezustand kann das Fahrzeug die Antriebsleistung reduzieren, damit die Zellspannungen über ihren unteren Grenzen bleiben. Das Kapitel Batterieladung erklärt, wie Ladegrenzen die im Verlauf eines Ladevorgangs bereitgestellte Leistung bestimmen.

Das Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht die Spannungen von Zellen oder parallel geschalteten Zellgruppen, den Batteriestrom und die Temperaturen an den Sensorpositionen. Es schätzt den Batteriezustand und stimmt die zulässige Ladung und Entladung mit dem Fahrzeug ab, um die Zellen innerhalb ihrer Betriebsgrenzen zu halten. Technisches Handbuch zu Batteriemanagementsystemen Das Kapitel Batteriemanagementsystem behandelt diese Funktionen ausführlicher.

Warum Temperatur und Strom wichtig sind

Der Innenwiderstand erzeugt Wärme, wenn Strom fließt. Bei gleichem Widerstand führt eine Verdopplung der Stromstärke zu viermal so viel Widerstandswärme. Kälte kann den Widerstand erhöhen und die verfügbare Leistung verringern. Auch Zellreaktionen können Wärme aufnehmen oder abgeben. Dieser reversible Effekt hängt von der Zellchemie und dem Ladezustand ab. Entropy Profiles for Li-Ion Batteries—Effects of Chemistries and Degradation (Wind and Vie, 2025)

Temperaturgrenzen können sowohl das Laden als auch den Antrieb einschränken. Kälte erschwert insbesondere das Laden graphitbasierter Lithium-Ionen-Zellen, weil sich Lithium auf der Elektrodenoberfläche ablagern kann (Lithium-Plating), statt in deren Struktur einzudringen. Die Fahrzeugsteuerung reduziert den Ladestrom und kann die Batterie zunächst erwärmen.

Regeneratives Bremsen kann bei einer kalten oder vollen Batterie eingeschränkt sein, weil beide Zustände die aufnehmbare Leistung begrenzen. Model 3 Betriebsanleitung: Bremsen und Anhalten Heiz- und Kühlsysteme helfen, geeignete Bedingungen aufrechtzuerhalten, wie im Kapitel Thermomanagement der Batterie beschrieben.

Das folgende Video von The Limiting Factor veranschaulicht die Funktionsweise einer Lithium-Ionen-Zelle.