Alles zu Second Life, dem zweiten Leben für alte E-Auto-Batterien

Nach Angaben von EV-volumes.com wurden im Jahr 2022 insgesamt 10,5 Millionen Elektrofahrzeuge (BEVs und PHEVs) verkauft. Dies ist gegenüber dem Stand von 2022 ein Anstieg um 55%. Getrieben wird diese Verschiebung durch die Nachfrage der Konsumenten, die wachsende Ladeinfrastruktur sowie die Vorschriften, die von Städten und Ländern zugunsten der Elektrifizierung erlassen wurden. Als umweltfreundliche Alternative zu Verbrennungsmotoren propagiert, haben Elektrofahrzeuge jedoch eine Schwachstelle: Es stellt sich die Frage, was passiert mit einer alten Elektroauto-Batterie, wenn sie nicht mehr genügend Ladung speichern kann, um ein Fahrzeug anzutreiben?

Die gängigste Option ist heute die Wiederaufbereitung, also das Recycling. Dabei lassen sich einige – allerdings keineswegs alle – Rohmaterialien wie etwa Kobalt und Lithium wieder zurückgewinnen. Das Recycling aber ist nicht nur teuer und unreguliert, sondern es fehlt auch noch an einer klar definierten Lieferkette. Überdies geht das Institute for Energy Research davon aus, dass sich bis 2025 weltweit mehr als 3,4 Millionen verbrauchte EV-Batterien angesammelt haben werden, während es 2018 nur 55.000 waren.

Wiederaufbereitung schenkt E-Auto-Batterien zweites Leben

Eine Alternative zum Recycling ist die Wiederverwendung von Batterien. Dabei wird zunächst ermittelt, welche Zellen eines Batteriesatzes noch genügend Ladung speichern können. Anschließend wird der Batteriesatz zerlegt und die noch brauchbaren Zellen werden zu einer neuen Batterie zusammengebaut. Mit dieser Alternative zur Wiederaufbereitung – genauer gesagt, eigentlich ein Zwischenschritt – erhalten Batterien ein „zweites Leben“. Ist die Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie auf 70 bis 80 Prozent ihres ursprünglichen Werts gefallen, was normalerweise frühestens nach acht bis zehn Jahren der Fall ist, kann die Batterie das Fahrzeug nicht mehr effizient versorgen und ist zu ersetzen. Das wachsende Angebot an verbrauchten Batterien lässt auf dem Markt eine neue Chance entstehen, die unter dem Schlagwort Second Life bekannt ist.

Da der Batteriesatz einen Anteil von über 30 Prozent am Verkaufspreis eines Elektrofahrzeugs ausmacht, gibt es für Batteriehersteller, Automobilhersteller, Regulierungsbehörden und sogar Versicherungsunternehmen echte wirtschaftliche und ökologische Anreize, einen sekundären Markt zu fördern. Der direkteste Weg existiert in Energiespeichersystemen, in denen sich die noch intakten Zellen eines benutzten Akkusatzes einer neuen Verwendung zuführen lassen, um überschüssige Energie aus Wind, Sonne, Wasserkraft oder Geothermie zu speichern. Ebenso lassen sich EV-Batterien zerlegen und zu kleineren Batteriemodulen für weniger anspruchsvolle Anwendungen wie etwa Elektrowerkzeuge, Gabelstapler oder E-Scooter zusammenbauen.

Wie der State of Health einer Batterie erfasst wird

Der State of Health (SoH) einer Batterie bezieht sich auf den Zustand der Batterie und ihre Fähigkeit, eine ausreichende Kapazität bereitzustellen. Der SoH wird verwendet, um den aktuellen Zustand einer Batterie in Bezug auf ihre Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu beschreiben.

Um den SoH einer Batterie zu überwachen und zu bewerten, werden verschiedene Methoden verwendet, wie interne Diagnosefunktionen, externe Tests und Batteriemanagementsysteme. Durch eine regelmäßige Überwachung des Batteriezustandes kann die Lebensdauer der Batterie verlängert und eine zuverlässige Leistung sichergestellt werden. Der SoH (State of Health) einer Batterie wird in der Regel durch verschiedene Methoden gemessen, darunter:

• Open Circuit Voltage (OCV) - Die OCV-Methode misst die Spannung der Batterie, wenn sie nicht belastet wird. Dieser Wert wird mit einer Tabelle oder einem Algorithmus verglichen, um den SoH der Batterie abzuschätzen.
• Impedanzspektroskopie: Diese Methode misst die Wechselstromimpedanz der Batterie bei verschiedenen Frequenzen, um Veränderungen in der Batteriechemie zu erkennen, die auf eine Änderung des SoH hinweisen.
• Kalenderalter und Zyklenzahl: Batterien haben normalerweise eine begrenzte Lebensdauer, die durch das Kalenderalter und die Anzahl der Lade- und Entladezyklen begrenzt wird. Durch die Überwachung dieser Faktoren kann der SoH der Batterie abgeschätzt werden.
• Coulomb-Zähler - Diese Methode basiert auf der Messung der Ladung, die in die Batterie eingeführt oder aus der Batterie entnommen wird. Durch die Überwachung dieser Ladung kann der SoH der Batterie abgeschätzt werden.
• Je nach Anwendung und Batterietyp kann eine Kombination aus diesen Methoden oder anderen Methoden zur Bestimmung des SoH einer Batterie verwendet werden.

Der SoH einer Batterie kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, z. B. Alter, Nutzungsdauer, Temperatur, Ladezyklen und Art der Anwendung. Eine Batterie mit einem hohen SoH hat eine gute Leistung und ist in der Lage, eine ausreichende Kapazität zu liefern, während eine Batterie mit einem niedrigen SoH möglicherweise nicht mehr in der Lage ist, eine ausreichende Leistung zu liefern und ersetzt werden muss.

Warum muss der SoH gemessen werden

Der SoH (State of Health) von Batterien muss für Second-Life-Anwendungen gemessen werden, um sicherzustellen, dass die Batterien noch genügend Kapazität haben, um in einer anderen Anwendung verwendet zu werden. Hier sind einige Gründe, warum der SoH gemessen werden muss:
Batterielebensdauer: Batterien haben eine begrenzte Lebensdauer und verlieren im Laufe der Zeit an Kapazität. Der SoH gibt an, wie viel Kapazität die Batterie noch hat und wie lange sie noch verwendet werden kann

• Optimierung: Der SoH wird gemessen, um die Batterie für die Second-Life-Anwendung zu optimieren. Wenn die Batterie noch genügend Kapazität hat, kann sie in einer anderen Anwendung verwendet werden, anstatt entsorgt zu werden
• Sicherheit: Der SoH ist auch ein wichtiger Faktor für die Sicherheit. Wenn die Batterie nicht mehr genügend Kapazität hat, kann sie möglicherweise nicht mehr sicher verwendet werden
• Design: Der SoH ist ein wichtiger Faktor bei der Gestaltung von Second-Life-Anwendungen. Wenn der SoH nicht bekannt ist, kann die Anwendung möglicherweise nicht richtig dimensioniert werden
• Diagnose: Der SoH kann auch als Diagnosewerkzeug verwendet werden, um den Zustand der Batterie zu überwachen und festzustellen, ob sie noch für eine Second-Life-Anwendung geeignet ist

Was ist das Problem bei der Messung des SoHs?

Um es mit einem Wort zu sagen: Standardisierung. Beziehungsweise eigentlich fehlende Standardisierung. Genau wie bei der Prüfung der Batterien während der Herstellung, fehlt es auch beim Messen des SoHs an Standards. Beispielsweise gibt es BMS wireless oder kabelgebunden, um nur mal zwei Unterschiede zu nennen. Daher ist oft viel Handarbeit, zum Beispiel bei der Demontage, nötig, was den Prozess teurer macht und aktuell noch eines der Hauptargumente gegen Second Life bei Autobatterien ist.

Eine Lösung wäre, schon beim Design an Second Life zu denken, um die Demontage (disassembly) zu vereinfachen. So könnten Standardprozesse entwickelt werden, bei denen dann auch Roboter assistieren können.

Was ist der Unterschied zwischen SoC und SoH?

SoC (State of Charge) und SoH (State of Health) sind zwei verschiedene Parameter, die den Zustand einer E-Auto-Batterie beschreiben.

• SoC bezieht sich auf den aktuellen Ladezustand der Batterie und gibt an, wie viel Energie noch in der Batterie gespeichert ist. Es wird normalerweise in Prozent ausgedrückt und gibt an, wie viel Prozent der Gesamtkapazität der Batterie noch verfügbar sind. Wenn die Batterie vollständig geladen ist, beträgt der SoC 100%, während er bei vollständiger Entladung 0% beträgt.
• SoH bezieht sich auf den Zustand der Batterie im Hinblick auf ihre Leistung und Lebensdauer. Es gibt an, wie gut die Batterie im Vergleich zu ihrem ursprünglichen Zustand noch funktioniert. Eine Batterie mit einem hohen SoH hat eine gute Leistung und Kapazität, während eine Batterie mit einem niedrigen SoH eine schlechtere Leistung und Kapazität aufweist.

Der SoC ist ein Momentaufnahme-Parameter, der sich ändert, wenn die Batterie entladen oder aufgeladen wird, während der SoH ein langfristiger Parameter ist, der sich im Laufe der Zeit durch Alterung und Verschleiß der Batterie verändert.

Was kabellose Battery Monitoring Systeme (BMS) bringen

Ganz frei von Hindernissen bezüglich der Technologie, der Qualitätskontrolle und der Umsetzung ist der entstehende Markt für Second-Life-Batterien indes nicht. Zum Beispiel enthalten heutige EV-Batterien eine elektrische Verkabelung, um den Ladezustand der Batterie überwachen zu können. Da diese und weitere Kabelstränge entfernt werden müssen, bevor die Batterie einer neuen Verwendung zuführbar ist, entstehen Mehrkosten, und das Design verkompliziert sich. Im Rahmen eines zunehmenden Trends in der Produktentwicklung, das die am Ende der Nutzungsdauer erfolgende Demontage bereits berücksichtigt, können Entwickler anstatt fest verdrahteten BMS-Lösungen (Battery Monitoring System) kabellose BMS-Konzepte (wireless BMS, wBMS) einsetzen. Kabellose BMS-Lösungen verringern nicht nur die Abmessungen, das Gewicht und die Materialkosten von Elektrofahrzeugen, sondern lassen auch ein Montieren oder Demontieren von Akkusätzen durch Roboter zu, was mehr Sicherheit bietet und besser skalierbar ist.

Die kabellose BMS-Technologie erlaubt eine kontaktlose, skalierte Bestands-Charakterisierung, um bei der schnellen Entscheidung zwischen Wiederverwendung und Wiederaufbereitung zu helfen. Sobald mithilfe von State-of-Health-Daten, die beispielsweise mit wBMS-Lösungen erfasst wurden, die Wahl zwischen Wiederverwendung und Recycling getroffen ist, können Käufer und Verkäufer eine standardisierte Vertrauensebene etablieren und den Wert einer Batterie auf faire Weise ermitteln, bevor sich auf einen Verkaufspreis geeinigt wird. Die Industrie könnte sogar einen Bewertungsstandard erarbeiten, um eine wenig benutzte Batterie mit dem Rating „AAA“ von einer stark verbrauchten Batterie zu unterscheiden.

Der Bereich der Second-Life-Batterien ist ein sehr wertvoller Zwischenschritt vor dem Recycling, aber sein Erfolg hängt in hohem Maße davon ab, wie ganzheitlich die Erst- und Zweitverwendungen der Batterien betrachtet werden. Das Design der Batterie und des BMS muss auf die gesamte Nutzungsdauer ausgerichtet sein. Hierfür müssen möglicherweise Batterie-Zulieferer und Automobilhersteller gleichermaßen ihre Herangehensweise überdenken, aber langfristig können sie eine wichtige Rolle bei der Schaffung eines ökologisch nachhaltigen und ökonomisch tragbaren neuen Marktzweigs spielen. (na)