Ausgediente Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen können ein Second Life als Energiespeicher haben. Was dabei zu beachten ist, wo das bereits umgesetzt wird und welche Rolle die Daten aus einem Batteriemanagementsystem (BMS) dabei helfen können, die Restlebensdauer der Batterie genau zu bestimmen, erläutert dieser Beitrag. (Bild: Adobe Stock 248626760, malp)
Nach einer Prognose der Internationalen Energieagentur (IEA) wird es bis 2030 mehr als 200 Millionen Elektroautos geben. Getrieben wird diese Entwicklung 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.
Die wichtigsten Fragen und Antworten zu Second Life bei E-Autobatterien in Kürze
Was bedeutet Second Life für Autobatterien?
Second Life bezieht sich auf die Wiederverwendung alter Batterien aus Elektrofahrzeugen für stationäre Energiespeicher oder andere weniger anspruchsvolle Anwendungen.
Wie wird der Zustand einer alten Batterie bewertet?
Der Zustand, oder State of Health (SoH), wird durch Methoden wie Open Circuit Voltage und Impedanzspektroskopie bestimmt, um die verbleibende Kapazität und Leistungsfähigkeit zu messen.
Warum ist das Recycling von Batterien teuer?
Das Recycling ist aufgrund der komplexen Trennung der Materialien und der mangelnden Standardisierung in der Verarbeitung kostspielig.
Welche Vorteile bietet das Second-Life-Programm?
Second Life erhöht die Gesamtnutzungsdauer der Batterien, reduziert Abfall und schont Ressourcen, indem weniger neue Batterien hergestellt werden müssen.
Wie werden Second-Life-Batterien verwendet?
Sie werden typischerweise in stationären Energiespeichern eingesetzt, um überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen zu speichern oder für Anwendungen mit geringerem Energiebedarf wie E-Bikes und E-Scooter.
Diese Second-Life-Projekte für ausgediente E-Auto-Batterien gibt es in Europa
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.
E-Auto-Batterien altern weniger als gedacht
Ein Whitpaper der p3-group verdeutlicht die Rolle des "Second Life" für Elektroauto-Batterien, um deren Wert auch nach der Fahrzeugnutzung zu erhalten. Die Batteriealterungsanalyse aus dem Whitepaper zeigt eine geringere Degradation von Elektrofahrzeug-Batterien als ursprünglich angenommen. Theoretische Modelle und Labortests, die oft auf der Analyse einzelner Batteriezellen beruhten, überschätzten die Alterung. Diese Tests berücksichtigten oft nicht die Vorteile des Batteriemanagementsystems (BMS) und die tatsächlichen Nutzungsmuster. Die Analyse von über 7.000 Fahrzeugen ergab, dass die meisten Batterien auch nach bis zu 300.000 Kilometern Fahrleistung noch über 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität behalten – selbst bei intensiver Nutzung.
Auffällig ist, dass der anfänglich höhere Kapazitätsverlust durch die Bildung der SEI-Schicht (Solid-Electrolyte Interphase) in den ersten Ladezyklen verursacht wird, danach aber die Degradation stabiler und deutlich langsamer verläuft. Diese Ergebnisse erhöhen das Vertrauen in die Langlebigkeit der Batterien und stabilisieren den Restwert von Elektrofahrzeugen. Dies verlängert die potenzielle Nutzungsdauer der Batterien und erhöht die Erfolgschancen für ihre Second-Life-Nutzung. Dennoch weist das Whitepaper darauf hin, dass die Datenlage für Fahrzeuge mit einer Laufleistung von über 200.000 Kilometern begrenzt ist und mögliche Verzerrungen aufgrund des „Survivorship Bias“ auftreten könnten – also das nur Batterien in die Analyse einfließen, die solange durchgehalten haben.
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.
The Automotive Battery Congress
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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 ist Second Life bei Autobatterien?
Second Life für Autobatterien bezieht sich auf die Wiederverwendung von gebrauchten Batterien aus Elektrofahrzeugen, die nicht mehr für den Antrieb des Fahrzeugs geeignet sind. Obwohl diese Batterien möglicherweise nicht mehr genügend Kapazität haben, um in Elektrofahrzeugen verwendet zu werden, können sie noch genügend Energie speichern, um für andere Zwecke verwendet zu werden.
Ein Beispiel für die Verwendung von Second-Life-Batterien ist der Einsatz als stationärer Energiespeicher in Gebäuden oder als Stromquelle für Elektrofahrzeuge mit geringerem Energiebedarf wie E-Bikes oder E-Roller. Durch den Einsatz von Second-Life-Batterien kann die Lebensdauer von Batterien verlängert und Ressourcen gespart werden, da weniger neue Batterien hergestellt werden müssen.
Allerdings müssen die Batterien für den Einsatz in Second Life geeignet sein und entsprechend getestet und bewertet werden. Der Zustand der Batterien (State of Health (SOH)) muss ausreichend sein, um eine genug Leistung und Sicherheit zu gewährleisten.
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.
E-Mobility: Batterie und Sicherheit
Wie entstehen bessere E-Auto-Batterien und sind sie sicher? Bewährte und neue Batterietechnologien von Entwicklung bis Recycling, Brandschutz von Simulation über Materialien bis Batteriemanagement und Safety-Konzepten, sowie Testverfahren von EMV bis Sicherheit. Die Technologien dahinter finden Sie hier.
Der Lebenszyklus einer E-Batterie
Der Lebenszyklus einer Batterie kann in drei Phasen unterteilt werden: End-of-Warranty (EoW), End-of-First-Life (EoFL) und End-of-Second-Life (EoSL). Die Phase EoW markiert das Ende der Herstellergarantie, während EoFL der Zeitpunkt ist, an dem die Batterie aufgrund unzureichender Leistung oder Fahrzeugalterung ausgebaut wird. Nach dem Ausbau wird eine Analyse durchgeführt, um den Zustand der Batterie zu bestimmen. Ist sie geeignet, kann sie für Second-Life-Anwendungen weiterverwendet werden, zum Beispiel als stationärer Speicher für Solaranlagen oder zur Netzstabilisierung. Dazu wird die Batterie umgerüstet, indem bestimmte Komponenten erneuert oder ausgetauscht werden. Schließlich erreicht die Batterie das EoSL, wenn die Kapazität stark abgenommen hat oder Sicherheitsrisiken bestehen, und muss dann recycelt werden. Die Second-Life-Nutzung von Batterien trägt zur Erhöhung des Restwerts der Batterie und des Elektrofahrzeugs bei und ermöglicht die Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe.
Alle Infos zur ChargeTec
Die Elektromobilität nimmt immer mehr Fahrt auf. Analysten erwarten bis 2025 europaweit einen elektrischen Marktanteil von 15 bis 20 Prozent. Doch was nützt eine große Vielfalt an E-Fahrzeugen, wenn sie nicht entsprechend und flächendeckend geladen werden können? Informieren Sie sich auf der 5. ChargeTec vom 27. bis 28. Mai 2025 in München über die Bedeutung der Ladeinfrastruktur für die Umsetzung einer weitgehend CO2-neutralen Mobilität.
Alle Infos zur nächsten ChargeTec und zum Programm finden Sie hier!
Aufbereitung der Batterie
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.
Was beim Kauf von Elektroauto-Batterien zu beachten ist
Beim Kauf einer Elektroauto-Batterie sollten Anwender sich zwischen neuen und gebrauchten Optionen entscheiden. Neue Batterien bieten die neueste Technologie und maximale Lebensdauer, kommen jedoch zu höheren Kosten. Gebrauchte Batterien können eine kostengünstigere Alternative darstellen, es ist jedoch wichtig, deren Zustand und verbleibende Lebensdauer genau zu prüfen. Wichtig sind eine transparente Historie und Zertifizierungen, die die Qualität und Sicherheit der Batterie bestätigen. Händler sollten in der Lage sein, detaillierte Informationen über die Anzahl der Ladezyklen und den aktuellen Zustand der Batterie bereitzustellen.
Fazit Second Life
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.
Das EU-Projekt Battery2Life in Kürze
Das von Horizon Europe geförderte EU-Projekt Battery2Life zielt darauf ab, den Übergang von Elektrofahrzeugbatterien in ihre zweite Lebensphase zu erleichtern. Das Konsortium entwickelt fortschrittliche Batteriemanagementsysteme und optimierte Systemdesigns, um eine zuverlässige Rekonfiguration gebrauchter Batterien zu ermöglichen und so die Innovation in der europäischen Batterieindustrie voranzutreiben. Im Rahmen des Projekts werden zwei neue Batteriesystem-Design-Frameworks eingeführt. Das erste befasst sich mit der Restrukturierung bestehender Designs für Second-Life-Anwendungen, während das zweite neue Designprinzipien einführt, die sowohl in der ersten als auch in der zweiten Nutzungsphase anwendbar sind. Diese werden in Österreich für Heimspeicheranwendungen und in Griechenland für netzweite Speicheranwendungen getestet.
Elisabeth Dörr, Projektleiterin am AIT, unterstreicht die Bedeutung des Projekts: "Die Ergebnisse von Battery2Life werden dazu beitragen, den Übergang zu grüner Energie zu unterstützen und sich positiv auf die europäische Wirtschaft und die Umwelt auswirken. Battery2Life ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigen Nutzung von Elektrofahrzeugbatterien und trägt zur Förderung einer Kreislaufwirtschaft bei". Dies wird unter anderem durch die Implementierung drahtloser Kommunikation und die Integration von Sensoren zur Zustandsbewertung in bestehende Batteriemodule erreicht.
Der Autor: Dr. Martin Large
Aus dem Schoß einer Lehrerfamilie entsprungen (Vater, Großvater, Bruder und Onkel), war es Martin Large schon immer ein Anliegen, Wissen an andere aufzubereiten und zu vermitteln. Ob in der Schule oder im (Biologie)-Studium, er versuchte immer, seine Mitmenschen mitzunehmen und ihr Leben angenehmer zu gestalten. Diese Leidenschaft kann er nun als Redakteur ausleben. Zudem kümmert er sich um die Themen SEO und alles was dazu gehört bei all-electronics.de.
Schwerpunktthema: E-Mobility
In diesem Themenschwerpunkt „E-Mobility“ dreht sich alles um die Technologien in Elektrofahrzeugen, Hybriden und Ladesäulen: Von Halbleitern über Leistungselektronik bis E-Achse, von Batterie über Sicherheit bis Materialien und Leichtbau sowie Test und Infrastruktur. Hier erfahren Sie mehr.