Kaum ein Tag vergeht, an dem nicht von Batterietechnologie für die Elektromobilität berichtet wird. Lithium-Ionen-Akkus sind für mobile Geräte noch immer die Akkus der Wahl, so auch für E-MTBs. Warum das so ist und warum die Zellchemie als Geheimakte gehütet wird, erfahrt ihr hier. Keine Angst, man muss kein Chemie-Nerd sein, um zu verstehen, auf was man überhaupt abfährt.

Elektrofahrräder ermöglichen uns einen stress- und schweißfreien Weg zur Arbeit, unterstützen als Lastenräder Kuriere, dienen als sportliches, gelenkschonendes Fortbewegungsmittel und führen uns als E-MTBs auf Trails, die wir allein mit Bein-Power kaum bewältigen können. Der Markt expandiert enorm, gleichzeitig nehmen wir die freundliche Unterstützung von unten als selbstverständlich hin. Dabei ist das, was uns so viel „einfache Fortbewegung“ verschafft, ganz schön komplex. Deshalb geben wir einen kleinen Einblick in das Kraftwerk der E-Bikes: die Akkus.

Der Startschuss zum Boom

Seit der Markteinführung der Lithium-Ionen-Batterie Anfang der 1990er Jahre haben Batterien auf Basis des Leichtmetalls Lithium die Trendwende eingeläutet. Während viele Hersteller zunächst noch auf Nickel-Metallhydrid-Batterie bauten, haben zu Beginn des 21. Jahrhunderts leistungsfähige Lithium-Ionen-Akkus die Branche überrollt. Die Vorteile? Zunächst ist hier das geringere Gewicht zu nennen, das sich vor allem beim Einsatz in portablen Geräten wie Notebooks, Smartphones, Bohrmaschinen und letztendlich auch der Auto- und Fahrradbatterie bewährt. Vor allem aber haben Lithium-Ionen-Batterien eine hohe Energiedichte und können so mehr Energie bei relativ geringem Eigengewicht speichern. Drei Wissenschaftler, die den Grundstein für die revolutionäre Energiespeichertechnik gelegt haben, sind im vergangenen Oktober mit dem Nobelpreis für Chemie 2019 ausgezeichnet worden: Stanley Whittingham, Akira Yoshino und John Goodenough. Gut genug ist sich Goodenough aber noch nicht: Aktuell schickt sich der derzeit älteste Nobelpreisträger an, in Hinblick auf stationäre Energiespeicherung mittels spezieller Feststoffbatterien eine nächste Revolution einzuleiten. Sie soll, wie der Name sagt, komplett aus festem Material bestehen und dadurch widerstandsfähiger werden, noch mehr Ladezyklen aushalten und nicht entflammbar sein. Doch die große Herausforderung dabei ist, dass sich die Lithium-Ionen schnell genug durch den festen Elektrolyten hindurch bewegen müssen. Für die kleinen mobilen E-Bike-Akkus spielen Feststoffbatterien derzeit und voraussichtlich auch in nächster Zukunft keine Rolle.

Der Aufbau einer Batterie – und die Geheimakte Zellchemie

Die Batterie wird übergreifend als Energiespeicher bezeichnet. Im Gegensatz zu nicht wiederaufladbaren Energiespeichern (Primärbatterien) können Akkus (Akkumulatoren) mehrmals aufgeladen werden. Ein Akku besteht aus mehreren, in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen, den sogenannten galvanischen Elementen. Und hier schlägt das Herz der Batterie: Die Kapazität dieser Zellen ist eine riesige Nummer in der Batterie-Forschung, schließlich hat sie auch Einfluss auf die Reichweite und Leistung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Generell resultiert die Kapazität aus dem Aufbau, der Größe bzw. dem Gewicht des Akkus, vor allem aber aus der Materialkombination der Elektroden und Schichten in den Zellen. Und eben diese optimale Zusammenstellung des Materialmix ist richtig tricky: Das Elektrodenmaterial bestimmt, wie hoch die Spannung ist, die ein Akku im Normalbetrieb zur Verfügung stellt und einen Stromfluss verursacht (Nennspannung; Maßeinheit: V). Die speicherbare Energie wiederum hängt von der Beschaffenheit des verwendeten Materials ab. Darüber hinaus soll ein Akku ja auch viele Ladezyklen überstehen, deshalb werden verschiedene stabilisierende Schichtmaterialien eingesetzt.

Auch der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom variiert bauartbedingt, ebenso wie die Temperaturempfindlichkeit. Ändert man zur Erhöhung der thermischen Stabilität eine Elektroden-Komponente, kann dies wiederum einen negativen Einfluss auf die Kapazität haben. Was auch immer der Cocktail letztendlich enthält, generell gilt: Je gleichmäßiger die chemische Zusammensetzung der Batterie, desto höher die Leistung und Lebensdauer. Ein richtig guter Cocktail hat ja auch nur eher wenige, dafür abgestimmte Zutaten. Bei all den Einflussfaktoren verwundert es also nicht, dass der eingesetzte Materialmix der Hersteller meist wie ein Staatsgeheimnis gehütet wird.

Was auch immer der Cocktail letztendlich enthält, generell gilt: Je gleichmäßiger die chemische Zusammensetzung der Batterie, desto höher die Leistung und Lebensdauer.

Bei einem Akku steckt die nutzbare Energie in umkehrbar ablaufenden elektrochemischen Prozessen. Der Wirkungsgrad ist hoch (über 90 %), d. h. die Menge an Strom, die die Batterien speichern, erhält man fast verlustfrei zurück. Beim Entladen (z. B. bei Nutzung des E-Bikes) wird die in chemischer Form gespeicherte Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umgewandelt – es fließt Strom, der dann beispielsweise den E-Bike-Motor antreibt.

Damit der Strom die Zelle aber überhaupt erreichen und auch wieder verlassen kann, ist auf beiden Seiten je eine spezielle Metallschicht als Trägermaterial angebracht, die jeweils Strom leitet. Beispielsweise befindet sich auf der einen Seite eine Aluminium-Schicht, auf der anderen Seite eine Kupfer-Schicht. In unmittelbaren Kontakt zu diesen beiden Ableitermaterialien befinden sich die eigentlichen Elektroden des Akkus: Bei der Aluminium-Schicht kann dies etwa eine Lage aus Lithium-Metall-Oxid (z. B. Lithium-Cobaltdioxid, LiCoO2) sein, sie ist der Pluspol (Kathode). Auf der anderen Seite, z. B. Kupferschicht-Seite, kann als Minuspol (Anode) eine Lage aus reinem Graphit dienen, eine natürliche Erscheinungsform des Kohlenstoffs mit hoher Energiedichte. Damit es nicht zu einem Kurzschluss kommt, werden beide, Minuspol und Pluspol, durch eine Trennschicht (Separator) getrennt.

Gefüllt ist die Zelle mit einer äußerst reinen und wasserfreien Elektrolyt-Lösung, die ein Ionen-leitendes Salz (Lithiumsalz) enthält.

Die Mehrzahl der am Markt befindlichen Akkus sind Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren, so auch am E-Bike. Lithium macht nur 1–1,5 % des verwendeten Batterie-Materials aus, ist aber der Big Player: Alle reaktiven Bestandteile, die negativen und positiven Elektroden sowie die Elektrolytlösung, enthalten Lithium, und zwar als einfach positiv geladene Ionen (Li+), die elektrische Ladung zwischen der negativen und positiven Elektrode transportieren.

Über den Tresen geht nur Hochspezifisches – Vorgänge beim Laden und Entladen

Wenn wir den Motor am E-Bike nutzen, findet der Entladevorgang der Batterie statt: Die Anode (z. B. Graphit) gibt Elektronen ab, die durch den äußeren Stromkreis zur Kathode wandern – es fließt Strom, den der Motor nutzt. Zum Ladungsausgleich strömen positiv geladene Lithium-Ionen aus der Anode durch die Elektrolytlösung zur Kathode, wo sie eingelagert werden. Es ist wie in einer Bar, in der der Chemie-Nerd versucht, mit dem energiegeladenen Party-Girl Kontakt aufzunehmen. Weil aber draußen jemand den Motor anwirft, zieht das Elektron-Girl ab und lässt die Clique der Anodenseite der Bar zurück, bei der sich die Ladung aber positiv aufheizen würde. Dem Nerd wird’s zu heiß. Er strömt ladungsausgleichend als Li+-Ion durch den Tresen auf die andere Seite der Bar und wird dort, auf der Kathodenseite, aufgenommen. Eigentlich hat der Tresen dazwischen eine Türsteher-Funktion, doch hier hat er sich ein cooles Hintertürchen offengelassen: Bestehend aus mikroporösem Kunststoff ist er – ähnlich einer Gore-Tex-Membran – nur für den schmalen Li+-Typen durchlässig. Der Vorgang ist kein Einzelfall, die kontaktfreudige Clique nimmt viele in ihrem Kathoden-Netzwerk auf, sie hat eine hohe Energiedichte, gleichzeitig strömen viele aufgedrehte Elektronen-Girls der Anodenseite nach außen ab, bis alle weg sind – und der Motor keine neue Energie mehr erhält. Im Sinne der Gleichberechtigung möchten wir an dieser Stelle klarstellen, dass es in der Bar-Realität mindestens genauso viele Elektron-Boys gibt!

Wenn wir die Batterie wieder laden, wird von außen eine Spannung angelegt, wodurch an der Anode erneut ein Überschuss an Elektronen entsteht. Die Lithium-Ionen strömen nun in der entgegengesetzten Richtung von der Kathode zur Anode und lagern sich in der Anode ein.

Als Transportmedium für die positiv geladenen Ionen dient die Elektrolytlösung, die rein und wasserfrei sein muss, da Lithium heftig mit Wasser reagiert. Gerade auch deshalb sollte man qualitativ hochwertige Original-Akkus und keine von No-Name-Herstellern verwenden. Aktuell gibt es einen Hype um das Rezept der Elektrolytlösung. Es wird z. B. daran geforscht, den derzeitigen organischen Elektrolyten durch einen anorganischen zu ersetzen, um die Energiedichte und letztendlich die Reichweite noch weiter zu erhöhen. Die Sache ist aber knifflig: Der Elektrolyt muss eine Zellspannung von rund vier Volt vertragen. Da wässrige Elektrolyte bei einer derart hohen Spannung reaktive Gase bilden und somit die Ladezyklen herabgesetzt werden, sind organische Lösungsmittel (versetzt mit Leitsalzen) noch immer das Mittel der Wahl. Darunter sucht man solche, die beim ersten Aufladen der Batterie eine stabile Schicht an der Graphitanode bilden. Denn diese Schicht wirkt wie ein Schutzmantel und verhindert, dass sich das organische Lösungsmittel bei weiteren Ladezyklen allmählich am Minuspol zersetzt. Damit ist der Cocktailmix aber noch nicht perfekt: Es werden noch Zusätze eingesetzt, um die Viskosität des organischen Lösungsmittels zu verringern, denn die Ionen müssen schließlich passieren können. Darüber hinaus gibt es weitere Zusätze, z. B. um die Entflammbarkeit herabzusetzen.

All die Faktoren erklären, dass die Flüssigkeit sehr rein sein muss, um Störungen während der Auf- und Entladevorgänge zu vermeiden. Auch der Separator muss zur Trennung von Anode und Kathode eine hohe Qualität aufweisen, damit es nicht zum Kurzschluss kommt. Es liegt auf der Hand: Die hohe Qualität der Zellkomponenten ist extrem wichtig, wie sie z. B. die Akkuhersteller für die Bike-Industrie gewährleisten.
Man sucht also bei Anode und Kathode den Super-Pasch. Zusammen mit den geeigneten Elektrolyten und stabilisierenden Komponenten soll gleichzeitig eine hohe Leistungskapazität gewährleistet werden. Der Riesen-Ansturm auf Fördermaßnahmen zu Batteriefertigung und -forschung hierzulande und in der EU ist ein Spiegelbild der Trendwende in Sachen Mobility.

Heiß gekocht: Wie steht es um die Brennbarkeit von Lithium-Ionen-Akkus?

Lithium ist naturgemäß ein reaktionsfreudiges und selbstentzündliches Leichtmetall. Die Grenztemperatur liegt je nach Akku-Typ zwischen 150 °C und 250 °C. Wird sie überschritten, reagiert das Lithium mit anderen Bestandteilen der Akkuzelle, wobei erneut Wärme entsteht – die Akkus können somit „durchgehen“. Ab ca. 300 °C schließlich beginnt der flüssige Elektrolyt zu brennen. Damit das nicht passiert, besitzen die Lithium-Ionen-Akkus eine eingebaute elektronische Schaltung, das sogenannte Batteriemanagementsystem. Es übernimmt die Kontrollfunktion und sorgt für den Ladungsausgleich, z. B. werden schwächere Zellen zusätzlich geladen. Somit wird ein Schutz der in Reihe geschalteten Zellen in den Akkus gewährleistet – ein gutes Management soll ja schließlich für ein gesundes und langlebiges Arbeitsklima sorgen.

Auch wenn die Akku-Hersteller eine hohe Qualität ihres Produkts und der eingesetzten Komponenten gewährleisten, müssen Verbraucher – wie für jegliche Batterien – generell ein paar Regeln beachten:

  1. Auf geprüfte Sicherheit des Akkus und Ladegeräts achten (CE-Norm) und immer das passende Ladegerät verwenden, da es ein ordnungsgemäßes Abschalten gewährleistet.
  2. Akku keinen extremen Temperaturen aussetzen, die Wohlfühltemperatur liegt bei 10 °C–30 °C.
  3. Tiefenentladung vermeiden: Nutzt man sein E-Bike längere Zeit nicht, z. B. im Winter, sollte man den Akku vom Fahrrad entnehmen und am besten im halbvoll geladenen Zustand bei ca. 15 °C lagern (z. B. im Keller). Ist der Akku fest integriert, muss man das Bike entsprechend lagern. (Denn wenn der leere Akku nach langer Lagerung unter 0 °C wieder aufgeladen wird, kann sich die Zelle ausdehnen, was zur Verpuffung führen kann.)
  4. Stand ein Akku längere Zeit zum Beispiel in einer kalten Umgebung, sollte er zunächst bei Zimmertemperatur gelagert werden, bevor er wieder aufgeladen wird (Akku dazu entnehmen, beim fest integrierten Akku das Bike entsprechend in einen wärmeren Raum bringen). Den ersten Wiederauflade-Vorgang nicht unbeaufsichtigt lassen.
  5. Den Akku nicht auf brennbaren Gegenständen (wie Holzkisten o. ä.) und nicht in Nähe von brennbaren Stoffen (z. B. Benzinkanister) laden.
  6. Beschädigte Akkus nicht mehr verwenden, sondern zum Händler bringen und nur gegen ein baugleiches Original-Modell tauschen. Denn nicht jedes Batteriemanagementsystem kann mit jedem Antrieb kommunizieren und es kann so zu Komplikationen kommen.

Warum Lithium-Ionen-Akkus die beste Wahl für E-(Mountain-)Bikes sind

Derzeit findet geradezu ein Wettrennen um die beste Elektromobilität-Lösung statt. In der Automobilbranche und Industrie bewegt sich vieles, allem voran im Bereich stationäre Energiespeicher. Und auch wenn australische Forscher aktuell einen neuen Ansatz, die Lithium-Schwefel-Batterie, angekündigt haben, befindet sich diese Technik noch in einem frühen Ent­wick­lungs­sta­di­um. Erste Anwendungen werden vor allem dort gesehen, wo es um geringes Gewicht, aber nicht primär um die Größe der Batterie geht: in der Luftfahrt. Denn bei gleichem Gewicht können sie zwar mehr Energie speichern als Lithium-Ionen-Akkus, sind dabei jedoch um einiges größer. Für E-MTBs werden Lithium-Schwefel-Batterien daher in absehbarer Zeit keine Rolle spielen.

Für die kleinen, mobilen und wieder aufladbare Energiespeicher der Elektrobikes sind die Lithium-Ionen-Batterien weiterhin Standard. Die Vorteile sind unbestritten:
Bei Lithium-Ionen-Akkus sind die Energiedichte und Kapazität aufgrund der hohen Zellspannung hoch, die resultierende Reichweite voll ausreichend. Wer will schon 1.000 km am Tag biken? Außerdem punktet sie durch ihren geringen Kapazitätsverlust, sie lässt sich unzählige Male wieder aufladen. Die Diffusion der Ionen im Elektrolyten verläuft schnell – im Gegensatz zu Feststoffbatterien oder auch zur Zink-Luft-Batterie. Bei Letzterer wandert der Sauerstoff nur langsam aus der Luft in das Trägermaterial der Kathode, was dann in einer geringen Stromstärke und somit auch geringen Leistung resultiert. Zudem bieten die Lithium-Ionen-Akkus eine lange Lagerfähigkeit durch geringe Selbstentladung sowie einen relativ breiten Temperaturbereich für Lagerung und Betrieb. Aktuell werden Lithium-Ionen-Batterien durch Optimierungen immer leistungsfähiger, ohne dabei viel an Gewicht oder Größe zuzulegen. Was ist dafür entscheidend? Die Antwort könnt ihr euch sicher denken: die chemischen Komponenten und deren Einfluss beim Ladeprozess … wo wir wieder beim Staatsgeheimnis wären.

Zwar wissen wir nicht im Detail, wie einige Hersteller mit speziellen Methoden Gewicht einsparen und gleichzeitig den Akku schneller laden können, aber bei genauerer Betrachtung der auf dem Markt befindlichen E-Bike-Akkus lassen sich einige aufschlussreiche Zahlen herauslesen – ganz ohne das Staatsgeheimnis zu kennen. Der integrierte Bosch PowerTube Akku mit 500 Wh wiegt ca. 200 g weniger als der integrierte Shimano STEPS BT-E8020 mit 504 Wh. Ähnliches zeigt sich bei den externen Akku-Modellen der beiden Hersteller. Der Bosch PowerPack mit 500 Wh hat im Vergleich zum Shimano STEPS BT-E8010 Akku mit 504 Wh einen Gewichtsvorteil von ca. 100 g. Schaut man sich die Ladezeiten der Akkus mit 504 Wh bzw. 500 Wh an, wird es ebenfalls interessant: Während mit dem Bosch Fast Charger dieser in drei Stunden vollständig geladen ist, braucht das Shimano STEPS EC-E6000-Schnellladegerät vier Stunden. TQ ist hier schon eine Stufe weiter und schafft es, einen 630-Wh-Akku in einer Stunde zu 80 % zu laden. Der Bosch Fast Charger schafft in einer Stunde gerade einmal 40 % eines 500-Wh-Akkus.

Auch beim Recycling der Batterien tut sich einiges. Einige Energieversorger und Start-ups peilen eine Recyclingquote an, die jene von der EU aktuell (noch) vorgeschriebenen 50 Prozent für die recycelbaren Elemente einer Batterie bereits um einiges übersteigt. Es gibt bereits Methoden, die diese Quote bei Batterien auf über 80 Prozent erhöhen. Dass gerade die Mobilität via (E-)Bike in vielen Ländern mehr unterstützt wird als je zuvor, ist nur ein logischer Schritt. Nicht nur, um den CO2-Emission zu senken, sondern auch, weil die kleinen E-Bike-Akkus hinsichtlich nachteiliger Aspekte wie Ressourcenverbrauch, CO2-Bilanz und soziale Umstände den riesigen Batterien in PKWs haushoch überlegen sind.

Wer sich nach all den Chemie-Cocktails und Quoten etwas gönnen will, der kann mit seinen Freunden nach der E-MTB-Feierabendrunde ein kühles Bier genießen. Und ist somit hundertprozentig gut aufgeladen.

Wenn ihr mehr über E-MTBs, Technik und Kennzahlen wissen wollt bzw. Informationen und eine Kaufberatung wünscht, seht euch die folgenden Artikel an:


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Text: Simone Giesler Fotos: E-MOUNTAINBIKE-Team