Eine der Komponenten des modernen Fahrzeugs, die sich in den letzten zwei Jahrzehnten dramatisch verändert hat, ist die Autobatterie. Bei Clore sagen wir oft, dass sich die Fahrzeugbatterie in den letzten 12 Jahren stärker verändert hat als in den letzten 60 Jahren. Vor diesem Hintergrund dachten wir, dies sei ein guter Zeitpunkt, um auf die Geschichte der Autobatterie zurückzublicken und nach Expertenmeinungen darüber zu suchen, wohin sich die Batterien in den nächsten 20 Jahren entwickeln werden.
Antike Ursprünge?
Einige Wissenschaftler glauben, dass Beweise gefunden wurden, die die Theorie stützen, dass ein batterieähnliches Gerät von den alten Parthern verwendet wurde, die 200 v. Chr. Beim Graben von Eisenbahnlinien in den 1930er Jahren in Bagdad fanden Arbeiter 13 cm lange Tongefäße, die bei genauerer Betrachtung Batterien ähnelten. Sie waren mit einem positiven Anschluss (einem Eisenstab) und einem negativen Anschluss (einem Kupferzylinder) ausgestattet, und es wird angenommen, dass eine essigartige Lösung als Elektrolyt verwendet wurde, der die für den Batteriebetrieb notwendige chemische Reaktion ermöglichte. Nicht alle Experten sind sich einig, dass es sich bei diesen Tontopf-Geräten tatsächlich um Batterien handelte, und es besteht auch kein Konsens darüber, wofür sie verwendet worden wären. Moderne Repliken haben jedoch die Fähigkeit gezeigt, mit jedem Topf zwischen 0,8 V und 2,0 V zu erzeugen. Batterien können also schon vor über 2000 Jahren ihren Anfang genommen haben.
Schneller Vorlauf zur ersten Blei-Säure-Batterie
Während in den frühen 1700er Jahren kleine Schritte im Batteriefortschritt unternommen wurden, kam der nächste große Moment in der Entwicklung der Batterie mit Alessandro Volta, der 1800 mehrere wichtige Entdeckungen machte, die den Fortschritt bei der Batterieentwicklung vorantrieben. Zunächst stellte er fest, dass bestimmte Flüssigkeiten einen kontinuierlichen Stromfluss erzeugten, wenn sie als Leiter verwendet wurden. Er fand auch heraus, dass verschiedene Metalle Elektronen mit unterschiedlichen Raten (Spannungspotential) aufnehmen und freisetzen. Schließlich entdeckte er, dass er die Gesamtspannung erhöhen konnte, indem er seine Zellen übereinander stapelte.Diese und andere Entdeckungen spornten weitere Erfindungen an, die 1802 in der Entwicklung der ersten Massenproduktionsbatterie durch William Cruickshank gipfelten. Cruickshank arrangierte Zink- und Kupferplatten in einer versiegelten Holzkiste und tauchte sie in einen Elektrolyten aus Salzlake ein. Seine und andere Batterien entwickelten sich in den folgenden Jahren, aber sie alle hatten ein gemeinsames Dilemma: Sie waren alle Einwegbatterien, die nicht aufgeladen werden konnten.
1859 löste ein französischer Physiker namens Gaston Planté das Einwegdilemma, indem er die erste Blei-Säure-Batterie entwickelte, im Allgemeinen das gleiche Konzept, das für die meisten heutigen Fahrzeugstartbatterien verwendet wurde. Plantés Design verwendete eine Anode (negative Elektrode) aus Blei und eine Kathode (positive Elektrode) aus Bleidioxid. Es war die erste Batterie, die einen einzigen Elektrolyten für beide Elektroden verwendete. Sein großer Durchbruch war jedoch die Tatsache, dass sein Design das Aufladen der Batterie durch Umkehrung der natürlichen chemischen Reaktion ermöglichte. Während sein Design einige Mängel aufwies, wie zum Beispiel seine kurze Leistungsabgabedauer, markierte es einen wichtigen Schritt in der Batterieentwicklung und ist der klare Vorläufer der heutigen Autobatterien. 1881 verbesserte Camille Alphonse Faure, ein französischer Chemieingenieur, Plantés Konzept, indem er eine bessere Struktur für die Batterie schuf. Im Gegensatz zu Plantés spiralförmigem Design entwickelte Faure ein Bleigittergitter, in das eine Bleioxidpaste gepresst wurde, die eine Platte bildete. Dieses Design ermöglichte die Kombination mehrerer Platten für ein großes Leistungspotenzial und war viel einfacher in der Massenproduktion.
Ein wesentlicher Bestandteil im Fahrzeugdesign
Obwohl im Batteriedesign von Plantés ursprünglichen Entwürfen von 1859 bis zur Jahrhundertwende erhebliche Fortschritte erzielt wurden, wurden Blei-Säure-Batterien in frühen Fahrzeugsystemen nicht verwendet. Dies lag daran, dass die meisten dieser Fahrzeuge während des Betriebs keinen Strombedarf hatten und mit einem mechanischen Prozess wie einem Kurbelsystem gestartet wurden. Infolgedessen bestand kein dringender Bedarf an der Fähigkeit, elektrische Kapazität in diesen Fahrzeugen zu speichern.
Der Elektrostarter war die Entwicklung, die die Landschaft veränderte und den Bedarf an gespeicherter elektrischer Kapazität im Fahrzeug erhöhte. Das erste Fahrzeug, das in den USA mit einem Elektrostarter ausgestattet war, war der Cadillac von 1912. Der Selbststarter wurde von Henry M. Leland und Charles Kettering bei Cadillac, später von General Motors gekauft. Leland drängte Kettering, eine Alternative zu Kurbelstartsystemen zu entwickeln, nachdem ein anderer Cadillac-Ingenieur von einer Startkurbel am Kopf getroffen und getötet worden war, als der Motor nach hinten losging.In der Mitte der Teenager gab es viele Startmechanismen, die von Automobilen verwendet wurden, aber bis 1920 waren die meisten neuen Fahrzeuge mit elektrischen Startern ausgestattet. Diese Änderung erhöhte schnell den Bedarf an einer zuverlässigen Stromversorgung innerhalb der Fahrzeugarchitektur und machte die Blei-Säure-Batterie zu einem wesentlichen Bestandteil der Automobilindustrie. Im Jahr 1918 war die Hudson Motor Car Company die erste, die eine Standardbatteriegröße gemäß den Spezifikationen des BCI (Battery Council International) verwendete. BCI-Batteriegruppengrößen werden heute noch verwendet (Gruppe 24, Gruppe 27 usw.).
Während dieser Zeit und bis in die 1950er Jahre hinein waren Fahrzeugstartbatterien und elektrische Systeme 6-V-Systeme. In den 1950er Jahren kam es zu einer großen Verschiebung, da größere Autos und größere Motoren die größere Leistung von 12-V-Batterien und -Systemen erforderten. Wir würden vorschlagen, dass dies die letzte große Änderung des Batterie- / Fahrzeugsystemdesigns vor dem Ende des 20.
Allerdings gab es in dieser Zeit Fortschritte. Ein wichtiger Schritt für den Komfort der Fahrzeughalter war die Einführung der Delco-Remy Freedom-Batterie im Jahr 1971, der ersten wartungsfreien Blei-Säure-Batterie, die in einer Automobilanwendung eingesetzt wird. In den 1970er Jahren entstanden auch VRLA-AGM-Batterien, die jedoch bis vor Kurzem weitgehend auf Spezialanwendungen beschränkt waren.
Die Neuzeit – AGM-Batterien
Wie die parallele Entwicklung von Batterietechnologie und Fahrzeugdesign zeigt, erfordern Entwicklungen in der einen häufig die Möglichkeit, sich in der anderen zu ändern. Die moderne Ära ist nicht anders. Als die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen in den 1990er und 2000er Jahren zunahm, was sowohl auf die Zunahme des Komforts in der Kabine als auch auf ein ständig wachsendes elektrisches System zurückzuführen war, war klar, dass die traditionelle Blei-Säure-Batterie in Bezug auf die Erfüllung der Systemanforderungen an ihre Grenzen stieß. Dies machte neue Konstruktionen und neue Chemikalien erforderlich.
Eine wichtige Antwort auf den sich ändernden Strombedarf heutiger Fahrzeuge war die Einführung von AGM-Batterien. AGM-Batterien (Absorbierte Glasmatte) wurden Mitte der 1980er Jahre in militärischen Anwendungen eingesetzt. Diese ventilgeregelten Blei-Säure-Batterien (VRLA) bringen viele Vorteile für das Fahrzeugsystemdesign. Erstens haben sie typischerweise einen viel niedrigeren Innenwiderstand als herkömmliche überflutete Batterien, was bedeutet, dass sie sich im typischen Lade- / Entladezyklus weniger erwärmen, was die Langlebigkeit verbessert. Darüber hinaus können AGM-Batterien tiefer entladen werden als herkömmliche überflutete Batterien. Dies ist ein entscheidender Vorteil, da die erhöhten elektrischen Anforderungen moderner Fahrzeuge bedeuten, dass die Batterie Spitzenlasten erfüllen muss, wenn die Generatorleistung ausgereizt ist. Schließlich sind AGM-Batterien aufgrund ihrer Konstruktion vibrationsfester als herkömmliche überflutete Batterien und können, da sie versiegelt und verschüttungsfrei sind, in jeder Ausrichtung gelagert und betrieben werden.Eine wichtige Systementwicklung, die die Beliebtheit von AGM-Batterien vorantreibt, ist die Einführung von Start-Stopp-Motorsystemen, die den Motor abschalten, wenn das Fahrzeug vollständig zum Stillstand kommt, und ihn sofort wieder starten, wenn der Fuß des Fahrers von der Bremse genommen wird. Diese Systeme, die es den Herstellern ermöglichen, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, werden typischerweise mit einer oder mehreren AGM-Batterien eingesetzt. Die Batterien, die in solchen Systemen gefunden werden, können Standard-AGM-Batterien, Spezial-Start-Stopp-AGM-Batterien oder eine Kombination der beiden sein. Es wird erwartet, dass in den kommenden Modelljahren weitere Batterietypen in diese Systeme integriert werden, Derzeit werden jedoch AGM-Batterien als dominierende Konstruktion verwendet.
Lithium, Hybride und Elektrofahrzeuge
Mehrere Erstausrüster haben begonnen, Lithiumbatterien in traditionelle Designs als Startbatterien (Porsche ist ein gutes Beispiel) sowie als Komponenten in Start-Stopp-Systemen zu integrieren. Lithium-Batterie-Chemikalien sind sehr energiedicht und liefern hohe Energiemengen (entweder Startleistung oder Reserveleistung) in einem kleinen, leichten Gehäuse. Die dominierende Lithium-Chemie der Startbatterie ist LiFePO4 (Lithiumeisenphosphat). Diese Chemie liefert eine hohe Leistungsdichte ohne die Flüchtigkeit anderer Lithiumchemikalien, was sie zu einer geeigneten Ersatzbatterie für viele Anwendungen oder Fahrzeuge macht, in denen Bleibatterien installiert sind.
Die Entwicklung von Hybriden, Plug-In-Hybriden und Elektrofahrzeugen führte zu einer Nachfrage nach viel größerer Batterieleistung, aber das Gewicht von Blei-Säure-Lösungen machte sie für diese Anwendungen unpraktisch. Um der Herausforderung Leistung / Gewicht gerecht zu werden, verwendeten frühe Hybride überwiegend NiMH-Batterien (Nickel-Metallhydrid), um dieses Problem zu lösen. Als Beispiel wurde der Toyota Prius 2010 mit einem 1,31 kWh NiMH-Akku ausgestattet.
Die gleiche Notwendigkeit, die Leistung ohne zusätzliches Gewicht zu erhöhen, die den Wechsel von Bleisäure zu NiMH auslöste, führte auch zu einem Wechsel von NiMH zu Li-Ionen-Akkus. Darüber hinaus können Li-Ionen–Batterien tiefer entladen werden als NiMH-Batterien, was bedeutet, dass mehr von der Batterie während jedes Entladezyklus verwendet werden kann – in traditionellen Begriffen ist dies wie in der Lage, Ihr gasbetriebenes Auto zu fahren, bis es ¼ Tank vs. ½ Tank erreicht, bevor es nachgefüllt werden muss. Am Beispiel des Prius verwendet der Prius 2016 einen 207-V-Motor .75 kWh Li-Ionen-Akku mit einem Gewicht von nur 54 lbs. gegen den alten 202V, 1.31 kWh NiMH-Akku mit einem Gewicht von 89 lbs.Plug-in-Hybride und Elektrofahrzeuge (EVs) erhöhen den Strombedarf exponentiell und machen Li-Ion zur Chemie der Wahl für aktuelle Modelle. Mit der erhöhten Leistung dieser Batteriepacks steigt jedoch auch bei Li-Ionen-Konstruktionen das Gewicht angemessen an. Die 4,4 kWh Li-Ionen-Akku in Pre-2016 Prius Plug-in-Modelle gewogen 180 lbs, EVs exponentiell mehr Batteriekapazität benötigen, mit dem zusätzlichen Gewicht kommt. Der Nissan Leaf 24 kWh Li-Ionen-Akku wiegt 480 lbs (mit Steuermodul), während der 85 kWh Li-Ionen-Akku im Tesla Model S etwa 1200 lbs wiegt.
Es ist zu erwarten, dass Li-Ionen-Batterien in einem angemessenen Gewichtsbereich bald ihre Leistungsgrenze erreichen werden. Viele neue Batteriechemikalien sowie konkurrierende Technologien wie Wasserstoffbrennstoffzellen wetteifern darum, die nächste bevorzugte Stromquelle für Elektrofahrzeuge zu werden. Wie wir in den letzten 15 Jahren gesehen haben, schaffen sich ändernde Systemanforderungen und das ständige Streben nach verbesserter Leistung Möglichkeiten für neue Technologien. Da die Geschwindigkeitsänderung zunimmt, könnte es uns im Jahr 2030 überraschen, zu sehen, was Personenkraftwagen antreibt.