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Specialized Kenevo Expert
Specialized Kenevo Expert - Ein radikales und kompromissloses E-Enduro Modell mit großem 700 Wh Akku. Dieser Bolide bringt es auf stattliche 24,5 kg Gesamtgewicht.
Nox Helium Enduro Pro
Nox Helium Enduro Pro - Ein E-Enduro in gewichtsreduzierter Bauweise. Konsequenz ist unter anderem die recht geringe Akkukapazität von 252Wh. Mit 19,9kg ist dieses E-MTB mit 180 mm Fahrwerk jedoch verhältnismäßig leicht.
Beschichtete Elektrode
Beschichtete Elektrode - Bild: Fraunhofer IWS Dresden
Aufbau einer Pouch-Zelle
Aufbau einer Pouch-Zelle - Bild: Fraunhofer IWS Dresden

Wie steht es um die aktuelle Entwicklung von Akkuzellen und was dürfen wir als E-Mountainbiker in Zukunft erwarten? In den vergangenen Jahren war ein Wechsel der Zellgröße von 18650 (18 mm Durchmesser und 65 mm Höhe) hin zu 21700 (21 mm Durchmesser und 70 mm Höhe) zu beobachten – es hat sich also die Baugröße der zylindrischen Zellen verändert, womit größere Kapazitäten der Akkupacks einfacher zu realisieren sind. Bei der Zellchemie, also der Zusammensetzung einer Zelle, hat sich hingegen bisher relativ wenig getan. Li-Ionen Akkus sind seit einigen Jahren Standard und in der Welt der E-Mobilität sehr weit verbreitet, da Herstellungskosten, Leistungsdichte und Haltbarkeit in einem effizienten Verhältnis zueinander stehen. Wir werfen in diesem Artikel einen Blick auf die neuen Li-S-Batterien. 

Hintergrund zur aktuellen Entwicklung von Li-S Zellen

Aktuell macht eine Meldung die Runde, dass ein Forscherteam einen Li-S Akku entwickelt haben soll, dessen Speicherkapazität und Haltbarkeit höher ist, als die von Lithium-Ionen-Akkus und die zudem auch noch günstiger sind. Sieht so die Akku-Technologie der Zukunft aus?

Dr. Mahdokht Shaibani hat gemeinsam mit seinem australischem Forscherteam vom Fachbereich Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der Monash University eine Li-S Batterie entwickelt,  die eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie in Sachen Haltbarkeit und Speicherkapazität um Längen schlägt. Das Zauberwort lautet hier CMC – Lithium Carboxymethylcellulose – als Bindemittel um Li-S Zellen haltbarer und damit industriell verwendbar zu machen.

Daneben sollen die Kosten für die Produktion aufgrund der verwendeten Materialien wie Schwefel weitaus niedriger sein, da Schwefel unter anderem ein Abfallprodukt aus der Erdölindustrie und somit ein weltweit verfügbarer, kostengünstiger Rohstoff ist.

Nun wurden die ersten Prototypen dieser Zellen vom deutschen Forschungs- und Entwicklungspartner, dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) hergestellt. Hier forscht man bereits seit zehn Jahren an Lithium-Schwefel-Zellen.

Welches Problem lösen Li-S Zellen?

Natürlich stellt sich immer die Frage, welches Problem damit gelöst werden soll und ob im übertragenen Sinn das Ganze visionär betrachtet für uns E-Mountainbiker von Vorteil sein kann. Nun, bei der Problemlösung kann man ganz klar erkennen, dass sowohl die Kosten für den Energiespeicher als auch das Gewicht und die Kapazität gegenüber der aktuell verfügbaren, weit verbreiteten Lithium-Ionen Technologie optimiert werden könnten. Genau diese Punkte – Preis, Gewicht und Kapazität – sind es, welche uns aktuell stark beschäftigen und bei der Konstruktion und Auslegung eines E-MTBs aktuell noch konträr zueinander stehen.

Wie wäre es also, wenn uns Li-S Batterien die Möglichkeit bieten würden, mit einem 1000 Wh Akku unterwegs zu sein und dabei das Gewicht nicht höher ist, als bei aktuell handelsüblichen Akkupacks? Es wäre für die Entwicklung des E-MTBs zielführend, da somit die Ausrichtung eines elektrifizierten Bikes effizienter erfolgen könnte, ohne dabei die großen Kompromisse eingehen zu müssen, wie wir sie aktuell sehen.

Anwendungsbeispiel im E-MTB

Mit einem Li-S Akku könnten aktuelle E-Mountainbikes mehr Akkukapazität haben, aber an Gewicht verlieren. Beides würde sich in einer besseren Performance und größeren Reichweite auswirken!

Dieser Kompromiss soll anhand eines Fallbeispiels erläutert werden: Nox Helium Enduro Pro und Specialized Kenevo 2020
Das Nox Helium Hybrid darf von der Konstruktion her als klassisches E-Enduro bezeichnet werden, mit dem Fokus auf Gewichtsreduzierung kommt hier ein leichtes Fazua Evation Antriebssystem mit kleinem 252 Wh Akku zum Einsatz – so wiegt das Nox Helium mit 180 mm Fahrwerk und Stahlfederdämpfer etwas unter 20 kg – beachtlich!

Specialized Kenevo Expert
# Specialized Kenevo Expert - Ein radikales und kompromissloses E-Enduro Modell mit großem 700 Wh Akku. Dieser Bolide bringt es auf stattliche 24,5 kg Gesamtgewicht.
Nox Helium Enduro Pro
# Nox Helium Enduro Pro - Ein E-Enduro in gewichtsreduzierter Bauweise. Konsequenz ist unter anderem die recht geringe Akkukapazität von 252Wh. Mit 19,9kg ist dieses E-MTB mit 180 mm Fahrwerk jedoch verhältnismäßig leicht.

Das Specialized Kenevo in der 2020 Variante wiederum wiegt je nach Ausstattungsvariante etwa 24 kg, was vor allem dem großen Energiespeicher von 700 Wh (3,6 kg) geschuldet ist. Zudem hat dieses Bike mit dem Brose Drive S einen stärkeren Antrieb. Würde ein Energiespeicher auf Lithium-Schwefel Basis also bei gleichem Gewicht die doppelte Energiemenge speichern können, wäre es der Gewichtsreduktion an E-Mountainbikes dienlich, ohne dabei an Reichweite oder Leistung zu verlieren. In die andere Richtung gedacht, könnte ein E-Enduro wie das Nox Helium noch leichter werden und das damit verbundene Fahrgefühl immer weiter einem klassischen, motorlosen MTB ähneln.

Li-S Zellen – praktischer Nutzung?

Doch kommen wir zur praktischen Umsetzung der Li-S Energiespeicher. Hier sind wir erwartungsgemäß noch sehr weit davon entfernt, diese Akkus in der Praxis massenhaft nutzen zu können. Denn aktuell ist die Baugröße bzw. Leistungsdichte dieser Energiespeicher noch nicht auf dem Niveau klassischer Lithium-Ionen Zellen, wie Dr. Holger Althues, Leiter der Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, in einem aufschlussreichen Bericht im Deutschlandfunk erklärt.

Darüber hinaus gibt es einige weitere Probleme wie beispielsweise die mechanische Stabilität der Kathode, die sich unter der betriebsbedingten Zuführung von Lithium soweit ausdehnt und wieder zusammenzieht, dass es zu Micro-Beschädigungen kommt, was die Zelle schnell altern lässt. Im aktuellen Versuchsstadium ist hier von etwa 200 Ladezyklen zu lesen.

Beschichtete Elektrode
# Beschichtete Elektrode - Bild: Fraunhofer IWS Dresden
Aufbau einer Pouch-Zelle
# Aufbau einer Pouch-Zelle - Bild: Fraunhofer IWS Dresden

Dieses Problem ist bei Li-S Zellen schon länger bekannt und hier kommt das australische Forschungsteam wieder ins Spiel. Denn wie ein wissenschaftlicher Artikel auf US-Fachblatt “Science Advances” verrät, ist es mittels einer speziellen Schicht aus Bindemittel (CMC) und Kohlenstoff möglich, die erhöhten mechanischen Belastungen auszugleichen, wobei CMC als Brückenglieder dient und so die Bestandteile der Kathode stets in Verbindung bleiben. Diese Struktur ist insofern besonders, weil eine hohe Durchlässigkeit gegeben ist. Diese wiederum ist nötig, um die Ionendiffusion zu gewährleisteten und Volumenschwankungen, die beim Lade- und Endladevorgang auftreten, auszugleichen.

Meinung @eMTB-News.de

Natürlich wissen wir, dass Innovationen wie diese aktuell (noch) nicht viel mit einem praktischen Nutzen zu tun haben, spannend finden wir es dennoch, die Entwicklung in diesem Bereich zu verfolgen. Alles in allem wollen wir hier nicht tiefer in die Zellchemie und den daraus resultierenden, physikalischen Gegebenheiten einsteigen, hoffen aber, mit diesem Artikel einen kleinen Einblick geben zu können, welche Entwicklungen sich hier und da in puncto Akku-Technologie auftun. Ein E-Mountainbike ist eben nicht nur Mechanik, sondern auch spannende Elektrik – dies unterscheidet uns von der Welt der klassischen Biker.

Für alle, die sich noch etwas mit der Entwicklung von Energiespeichern beschäftigen wollen, sei folgende, in Auszügen relativ leicht verständliche Studie des Frauenhofer Instituts von 2017 nahegelegt: Entwicklungsperspektiven für Zellformate von Lithium-Ionenbatterien in der Elektromobilität.

Beschäftigt ihr euch mit Zelltechnologie und was sind in diesem Punkt eure realistischen Erwartungen an ein E-Mountainbike in der Zukunft?

  1. benutzerbild

    hna

    dabei seit 09/2017

    GG71 schrieb:

    Flüssigakkus wären eine feine Lösung - Strom tanken wort-wörtlich.

    https://de.wikipedia.org/wiki/Redox-Flow-Batterie
    https://www.focus.de/auto/elektroauto/nanoflowcell-quantino-5-euro-fuer-100-kilometer-elektroauto-mit-fluessig-akku-vor-dem-marktstart_id_9129442.html
  2. benutzerbild

    bluecat

    dabei seit 12/2011

    m schrieb:

    Lithium-Schwefel-Batterie (Li-S) im E-MTB /
    Natürlich wissen wir, dass Innovationen wie diese aktuell (noch) nicht viel mit einem praktischen Nutzen zu tun haben, spannend finden wir es dennoch, die Entwicklung in diesem Bereich zu verfolgen.


    Ich kann auch mit viel wohlwollen keinen zukünftigen Nutzen im eMTB erkennen!

    Die 250W Motoren im eMTB-Sektor brauchen keine 1kWh Hochleistungsakkus wie die inzwischen üblichen 800 W-Motoren bei den 45er Commuterbikes. Die Anwendung bei lauschigem Sommerwetter schränkt zudem den Bedarf nach Tieftemperaturverwenung ein. Kurzum, die übliche Kapazitätssteigerung (durch kontinierliche Weiterentwicklung) der aktuellen Akkus reicht aus.

    Natürlich ist es wichtig, nach neuen Materialien zu Forschen, um neue Durchbrüche zu erzeilen. Aber der Verwendungszweck darf dabei nicht vergessen werden!

    Die Lithium-Schwefel-Zellen sind leichter, dafür aber auch größer als konventionelle Lithium-Ionen-Akkus. Das habe mit dem Volumen von Schwefel und Kohlenstoff zu tun und genau daran müsse noch gefeilt werden, betont Holger Althues. Doch das Potential sei groß.


    Im Klartext: Die Eignung für Stationäre Akkus ist gegeben, alles andere ist Fantasie.

    RESULTS AND DISCUSSION / MATERIALS AND METHODS
    Electrochemical tests
    The initial cycle of cycling tests was at 0.05 C rate.


    Im Klartext: Der verwendete Ladestrom ist noch ausserordentlich weit vom üblichen Ladestrom entfernt (=Eignung zum Langsamladen vorhanden)

    ENTWICKLUNGSPERSPEKTIVEN FÜR ZELLFORMATE VON LITHIUM-IONEN-BATTERIEN IN DER ELEKTROMOBILITÄT
    Abschließend soll nochmals betont werden, dass die syste-mische Analyse und multikriterielle Bewertung der Zellformate unter den getroffenen Annahmen und Randbedingungen zwar eine erste Interpretation der Ergebnisse bezüglich der zukünftigen Vorteilhaftigkeit einzelner Zellformate erlaubt, eine pauschale Aussage jedoch auf dieser Basis nicht getroffen werden kann. Zum einen ist die Wahl eines Zellformats stets fallspezifisch zu treffen und hängt von den subjektiven Präferenzen und Gewichtungen des Entscheiders oder Unter-nehmens ab. Zum anderen muss auf diesen fallspezifischen Gegebenheiten basierend eine detailliertere Analyse und weitere Simulationen durchgeführt werden.


    Im Klartext: Eigentlich ist unsere Vorhersage wertlos, weil es auf den Einzelfall ankommt.

    Es ist verständlich, dass im Kampf um Risikokapital alle Register gezogen werden - und ich sehe hier keinen weiteren Fall "Theranos" - aber es darf angenommen werden, dass entwerder Samsung, Panasonic oder LG sich die Rechte sichern, sollte die "Schwefel-Technologie" tatsächlich eine wirtschaftliche Zukunft haben.
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  4. benutzerbild

    GG71

    dabei seit 02/2008

    hna schrieb:

    https://de.wikipedia.org/wiki/Redox-Flow-Batterie
    https://www.focus.de/auto/elektroauto/nanoflowcell-quantino-5-euro-fuer-100-kilometer-elektroauto-mit-fluessig-akku-vor-dem-marktstart_id_9129442.html

    Ja, die kenne ich.
    Aber so richtig massenmarkttauglich ist das leider (noch?) nicht.
  5. benutzerbild

    Miatze

    dabei seit 01/2019

    Die Energiedichte eines Li-S ist doch wesentlich geringer als bei Lithium-Ionen Akku wenn ich mich nicht irre?!
  6. benutzerbild

    [email protected]

    dabei seit 02/2020

    "In den vergangenen Jahren war ein Wechsel der Zellgröße von 18650 (18 mm Durchmesser und 65 mm Höhe) hin zu 21700 (21 mm Durchmesser und 70 mm Höhe) zu beobachten – es hat sich also die Baugröße der zylindrischen Zellen verändert, womit größere Kapazitäten der Akkupacks einfacher zu realisieren sind. "

    Leider nein, leider gar nicht. Der Zuwachs an Volumen entspricht momentan nicht dem reellen Zuwachs an nutzbarer Kapazität. Einzig der Aufwand für den Bau reduziert sich.

    Die 21700 hat vorallem den Vorteil, dass sie bei erhöhten Entladeströmen (welche je nach Anzahl der parallel geschalteten Zellen am MTB Antrieb nicht vorliegen), die Spannung etwas besser hält. Dies bringt ein Akkupack nur auch nicht weiter wenn dafür, durch Reduzierung der Zellen von einem 5P auf einen 4P Aufbau gegangen wird.

Sag uns jetzt was du dazu meinst, wir sind gespannt!

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