Der Akku ist das teuerste Bauteil eines Stromers – und eine einzige schwache Zelle kann das ganze Batteriepaket deutlich früher altern lassen. Eine neue Untersuchung aktiv genutzter Elektrofahrzeuge zeigt, dass Unterschiede zwischen einzelnen Zellen die nutzbare Lebensdauer der Akkus um bis zu 22,8 Prozent verkürzen können. Das Problem kann lange verborgen bleiben und erst nach hunderten Ladezyklen sowie hoher Laufleistung richtig sichtbar werden.
In einem modernen E-Auto arbeiten hunderte Batteriezellen gemeinsam in einem Paket. Altert eine davon schneller als ihre Nachbarn, setzt sie dem gesamten System Grenzen: Beim Laden erreicht die schwächste Zelle früher ihre zulässige Spannung, ein stark steigender Innenwiderstand drückt die abrufbare Leistung und am Ende bestimmt die am stärksten gealterte Zelle, wann das Batteriepaket sein Lebensende erreicht. Die übrigen Zellen können zu diesem Zeitpunkt noch deutlich gesünder sein – mit dem schwachen Glied fliegen sie trotzdem aus dem Auto.
Die am 25. August im Fachjournal „Nature Energy“ veröffentlichte Untersuchung „Quantifying the impact of cell-to-cell inconsistency on electric vehicle battery degradation and utilization“ stützt sich auf reale Betriebsdaten von 116 Elektro-Pkw mit NMC-Batterien und 17 Elektrobussen mit LFP-Akkus. Die Daten umfassen mehr als drei Jahre, einzelne Fahrzeuge erreichten Laufleistungen von bis zu 300.000 Kilometern. Bei den Pkw verkürzten Unterschiede zwischen den Zellen die Lebensdauer der Batteriepakete im Schnitt um 17,7 Prozent, bei den Elektrobussen sogar um 22,8 Prozent. Gleichzeitig sank die mögliche Leistungsabgabe durch unterschiedliche Innenwiderstände um durchschnittlich 12,9 beziehungsweise 15,1 Prozent.
Erst nach hoher Laufleistung zeigt sich der Schwachpunkt
Bei 19 näher untersuchten Pkw blieb die Streuung beim Gesundheitszustand der einzelnen Zellen bis etwa 170.000 Kilometer überwiegend gering. Danach liefen die Werte bei vielen Fahrzeugen deutlich stärker auseinander, weil einzelne Zellen früher in eine Phase beschleunigter Alterung gerieten. Bei einem der untersuchten Akkus mit 95 Zellen waren die Spannungsverläufe bei 73.000 Kilometern noch nahezu deckungsgleich, bei 304.000 Kilometern zeigten sich dagegen deutliche Unterschiede. Der Zeitpunkt schwankte von Fahrzeug zu Fahrzeug erheblich: Während problematische Packs bereits ab rund 170.000 Kilometern stärker auseinanderliefen, blieben die besten Exemplare selbst bis 300.000 Kilometer vergleichsweise gleichmäßig.
Golem weist darauf hin, dass sich das auffällige Verhalten erst nach mehreren hundert Ladezyklen zeigte. Der Wagen kann beim Kauf völlig unauffällig sein, während eine schwache Zelle erst mit zunehmender Laufleistung zum Problem wird. Für Käufer gebrauchter Stromer ist das heikel, weil sich die Schwachstelle tief im Batteriepaket verstecken kann.
Schwachstellen können schon aus der Produktion kommen
Die Ursachen können bereits in der Fabrik entstehen. Die Wissenschaftler nennen Unterschiede bei den verwendeten Rohmaterialien, Schwankungen im Herstellungsprozess und eine ungünstige Gruppierung der Zellen. Bei einer unzureichenden Qualitätskontrolle könnten sogar Zellen mit latenten Defekten in ein Batteriepaket eingebaut werden. Während des späteren Betriebs können unterschiedliche Temperaturen innerhalb des Packs, die Position der Zellen, die Kühlung, mechanische Belastungen und Vibrationen die Unterschiede weiter verstärken.
Auch über die gesamte Lebensdauer kostet das Zell-Ungleichgewicht erheblich Kapazität. Die Pkw-Batterien schöpften im Mittel nur 80,7 Prozent der verfügbaren Energieressourcen ihrer Zellen aus, bei den Elektrobussen waren es 72,9 Prozent. Der Hauptverlust entsteht, wenn die schwächste Zelle das Ende des gesamten Batteriepakets diktiert und deutlich gesündere Zellen gleich mit ausgemustert werden. Dies verschlechtert die Ressourcen- und Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen damit noch weiter.
Normaler Akku-Check kann schwache Zellen übersehen
Eine zweite Untersuchung aus Großbritannien zeigt, warum solche Ausreißer beim Gebrauchtwagenkauf leicht unter dem Radar bleiben können. Der Batteriediagnostiker Generational analysierte rund 10.000 Tests gebrauchter Elektroautos. Bei etwa jedem 85. Test lag die Spannungsdifferenz zwischen der stärksten und der schwächsten Zelle über 50 Millivolt – ein Wert, der laut Unternehmen genauer untersucht werden sollte. Rund jeder 200. Test überschritt sogar 100 Millivolt, was auf einen möglichen Fehler hinweisen kann.
Der übliche „State of Health“ hilft dabei nur begrenzt. Er beschreibt vor allem die verbliebene Kapazität des Akkus, zeigt aber nicht zwingend, ob jede einzelne Zelle noch sauber arbeitet. Generational zufolge kann ein Stromer einen stabilen SoH-Wert anzeigen, während sich auf Zellebene bereits eine Störung entwickelt. Eine Warnleuchte, eine Fehlermeldung oder ein deutlich verändertes Fahrverhalten müssen zu diesem Zeitpunkt noch nicht auftreten. Erst bei stärkerer Abweichung können die Reichweite, das Ladeverhalten und schließlich auch der Fahrzeugwert leiden.
Für Käufer gebrauchter Stromer kann das teuer werden. Im Batteriepaket steckt ein großer Teil des Fahrzeugwertes, doch ein guter Gesamtwert des Akkus garantiert offenbar noch keinen gleichmäßigen Zustand sämtlicher Zellen. Wer wissen will, ob im teuren Stromspeicher bereits ein Ausreißer steckt, braucht einen Blick auf die Zellwerte – eine einfache Prozentanzeige zum Gesundheitszustand reicht dafür nicht.
Die Forscher sehen deshalb die Hersteller in der Pflicht, die Unterschiede zwischen den Zellen bereits bei der Produktion stärker zu begrenzen, Zellen sorgfältiger zu gruppieren und die Batterieüberwachung zu verbessern. Auch Batteriepakete, bei denen einzelne Zellen oder Module leichter ausgetauscht oder elektrisch neu verschaltet werden können, könnten verhindern, dass wegen weniger schwacher Zellen ein noch großteils brauchbarer Akku vorzeitig abgeschrieben wird. Für Besitzer älterer Stromer bleibt damit ein erhebliches Risiko: Eine einzelne schwache Zelle kann darüber entscheiden, wann der ganze Akku zum Problemfall wird.
