Warum haben Akkus bei Kälte einen Leistungsverlust und wie hoch kann dieser sein?
In E-Scootern sind üblicherweise Lithium-Ionen-Akkus verbaut. Um die Frage eines Leistungsverlustes von Akkus bei Kälte beantworten zu können, müssen wir etwas ausholen und uns die Funktionsweise einer Zelle sehr vereinfacht veranschaulichen.
Eine Zelle eines STREETBOOSTERs hat immer einen mehrschichtigen Aufbau, so wie jede andere Akku-Zelle auch. Wir alle kennen das Funktionsprinzip einer vollen Batterie. Die Energie wandert vom Minus- zum Pluspol und wenn sie geleert ist, erfolgt keine Energieabgabe mehr und das Gerät funktioniert nicht.
Bei einem Lithium-Ionen-Akku haben wir neben den beiden Polen weitere innenliegende Schichten, welche zur Funktionsweise beitragen. Wichtig sind aber zunächst die beiden äußeren Schichten des Akkus und in diesem Zusammenhang das sogenannte elektrochemische Potential. Dies gibt die Tendenz eines Stoffes an, Ionen zu verlieren oder abzugeben. Reines Lithium hat die Eigenschaft, Ionen sehr gut abzustoßen bzw. schnell abzugeben. Eine Grafitschicht wiederum nimmt Ionen gerne auf und speichert sie.
Wird Energie benötigt, so wandern die Ionen zurück zur Lithium-Schicht des Akkus und die geladenen Elektronen geben ihre Energie an den Verbraucher ab. Der ganze Vorgang spielt sich in einer wasserfreien Elektrolyttrennschicht ab, einer dickflüssigen Substanz zwischen den einzelnen Schichten der Lithium-Ionen-Akkus. Weitere Komponenten spielen eine Rolle, auf die wir aber hier nicht weiter eingehen möchten.
Verantwortlich für den Energieschwund von Akkus bei Kälte ist vor allem das Verhalten des Elektrolyts. Ist es zu kalt, haben die Ionen auf ihrem Weg vom Minus- zum Pluspol Schwierigkeiten, das Elektrolyt zu durchdringen, weil es immer zähflüssiger wird. Das verlangsamt den Elektronenabfluss zur Energieübertragung. Die Ionen verbrauchen also einen Teil ihrer Energie damit, sich den Weg zur Lithium-Seite zurück zu erkämpfen. Deshalb verlieren diese Akkus bei Kälte an Leistung.
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Fassen wir es in ein bildhaftes Beispiel
Ein vollgetankter Eisbrecher schiebt sich sehr langsam durch eine dicke Eisschicht und er verbraucht dabei sehr viel Energie. Nach 50 Seemeilen Eisbrechen ist der Tank fast leer. Das dahinter in der freien Spur fahrende Schiff hat bei gleicher Tankgröße noch die doppelte Menge Treibstoff an Bord, da es sich frei bewegen kann. Das wegzuschiebende Eis ist also mit dem bei zunehmender Kälte immer zähflüssigerem Elektrolyt vergleichbar. Je dicker das Eis – desto mehr Energie wird verbraucht.
Kommen wir nun zur Praxis beim Fahren eines E-Scooters mit Lithium-Ionen Akku bei Kälte.
Als Faustregel* gilt: Weicht die Außentemperatur um 5 Grad von der optimalen Betriebstemperatur ab, reduziert sich die Reichweite um 15 %. Bei einer optimalen Betriebstemperatur zwischen 20 und 35 Grad und einer Außentemperatur von 5 Grad Celsius verliert der Akku bei Kälte also rund 45 % seiner Leistungsfähigkeit. Wurde der Akku vor Fahrtantritt bei Kälte gelagert, ist ein weiterer, deutlicher Leistungsverlust nicht zu verhindern. Wie bei unserem Eisbrecher, der sich nach einer frostigen Nacht durch noch dickeres Eis kämpfen muss. Es empfiehlt sich also, den Akku bei Kälte vor Fahrtantritt nicht noch zusätzlicher Kälte auszusetzen.
Ist der Eisbrecher zusätzlich noch an der Beladungsgrenze, dann wird seine Einsatzzeit weiter verkürzt. Aber das gilt auch im Sommer und ohne Eis. Gleiches gilt für den Akku bei Kälte und im Sommer.
Bezogen auf die Reichweiten-Angaben der von uns real ermittelten Laufleistungen bei Normaltemperaturen können sich diese unter ungünstigen Umständen somit deutlich reduzieren, sodass die Laufleistung des Akkus bei Kälte nur noch einen Bruchteil der eigentlichen Laufleistung beträgt. Das gilt in der Regel für alle Akku betriebenen Fahrzeuge. Verliert der Akku bei Kälte also an Leistung, ist dies auf äußere Faktoren zurückzuführen, die nicht mit einer schlechten Verarbeitung des Akkus einhergehen. Dass ein Akku bei Kälte einen Leistungsverlust erleidet, ist völlig normal und nicht vermeidbar.
Jochen vom STREETBOOSTER Team