Batterien für Hybrid und Elektroautos

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1 Batterien für Hybrid und Elektroautos Spezialisiert auf Li Ion Batterien von Sebastian Riethof Coach: Niels Ehlers

2 Inhaltsverzeichnis Titel Foliennummer Wirkungsprinzip der Batterie 3 Li Ion Batterie 4 Vor und Nachteile gegenüber einer NiMH Batterie 5 Gegenstand der aktuellen Forschung 6 Li Titanat Batterie 7 Li Phosphat Batterie 8 Li Polymer Batterie 9 Vergleich der Batterie Typen 10 Optimierung des Separators Rohstoff Lithium 13 Quellenangabe 14 2/14

3 Wirkungsprinzip einer Batterie Basiert auf einer Redox Reaktion Reduktion und Oxidation laufen räumlich getrennt (Halbelement) ab Ein Elektronenleiter und ein Ionenleiter schließen den Stromkreis Stromstärke abhängig von I. Art des Elektrodenmateriales II. Konzentration des Elektrolytes III. Temperatur der Halbelemente Quelle: Wikipedia 3/14

4 Li Ion Batterie Aufbau Positives Elektrodenmaterial: Li Metalloxid Negatives Elektrodenmaterial: Graphit Elektrolyt: Lithiumsalz (LiPF 6 ) gelöst in einem aprotischen Lösungsmittel Separator: beidseitige, Li Ion selektierende Membrane Eigenschaften Quelle: Wikipedia Nennspannung: 3,6 V (Ladeschlussspannung: 4,2 V ; Entladeschlussspannung: 2,5 V) Lebensdauer: ca. 500 Ladezyklen bei mind. 80% Anfangskapazität (entspricht einer Reichweite eines SUV von km) Leistungsdichte: W/kg Energiedichte: Wh/kg (Dieselkraftstoff ca Wh/kg) 4/14

5 Vorteile Vor und Nachteile gegenüber einer NiMH Batterie Geringere Selbstentladung (bei NiMH ca. 0,5 1%/Tag) Kein Memory Effekt Geringer Innenwiderstand (erlaubt höhere Ladeströme bis zu 10c) Gewichtsersparnis (Dichteunterschied Ni[8,908 g/cm 3 ] Li[0,535 g/cm 3 ]) 3 fach höhere Nennspannung Höhere Energiedichte Das Metall mit dem höchsten elektrochemischen Potential ( 3,04V) Besseres Tieftemperaturverhalten (Anwendungsbereich 10 C bis 60 C) Nachteile Empfindlich gegenüber Tiefentladung, Kurzschlüssen und Überladung (erfordert Überwachungselektronik und intelligente Ladegeräte) thermal runaway beim Überhitzen der Zelle (>120 C), kann es zum Schmelzen des Separators kommen, der Kurzschluss kann zum Brand der Zelle führen Verformungen können ebenfalls zu Kurzschlüssen führen Abscheiden von metallischen Lithium (reagiert mit Wasser explosionsartig) Höhere Investitionskosten 5/14

6 Gegenstand der aktuellen Forschung Quelle: Quelle: Quelle: 6/14

7 Änderung Optimierung des Anodenmaterials Li Titanat Batterie am Beispiel einer AltairNano Batterie Graphit Anode wurde durch nanostrukturiertes Lithiumtitanat (nlto) ersetzt. Titanat ist ein Titanoxid mit sehr großer reaktiver Oberfläche. Effekte Quelle: Die Anodengrenzschicht wird kleiner Ionentransport wird erleichtert Höhere Leistungsdichte Höhere Lade /Entladeströme Keine Verformung des Materials beim Einlagern der Li Ionen Weniger Materialbeanspruchung Deutlich höhere Zyklenzahl Quelle: 7/14

8 Änderung Optimierung des Kathodenmaterials Li Phosphat Batterie am Beispiel einer Saphion Batterie Das Li Metalloxid der Anode wurde durch ein Li Phosphat (LiFePO 4 ) ersetzt. Es bildet eine selbsttragende Gitterstruktur aus. Effekte Keine zeitliche Änderung des Innenwiderstandes Hohe Ionenaufnahme Sehr hohe Lade /Entladeströme (30c bis 100c) Kein Abscheiden von metallischen Lithium bei Überladung Quelle: Hohe Ionenabgabe 100 % Nutzung des Lithiums (herkömmliche Zellen brauchen ca % des Li um die Gitterstruktur zu stabilisieren) 8/14

9 Änderung Optimierung des Elektrolytes Li Polymer Batterie am Beispiel einer SK Energy Batterie Das aprotische Lösungsmittel wurde durch ein Elektrolyt auf Polymerbasis ersetzt, das als gelartige Folie vorliegt. Effekte Kompakte Bauweise Flexible Form Factor Quelle: Elektroden, Separator und Elektrolyt in Schichtfolien herstellbar Foliendicke unter 0,1mm Geringe Ionentransportwege höhere Leitfähigkeit geringerer Innenwiderstand Geringes Kurzschlussrisiko bei mechanischer Verformung Variable Bauform der Batterie Leichtbau; kein Metallgehäuse, Stütz oder Trägermaterial Kein thermal runaway, weil kein leicht entflammbares Flüssigelektrolyt verwendet wird 9/14

10 NiMH Li Titanat Li Phosphat Li Polymer Energiedichte [Wh/kg] Leistungsdichte [W/kg] k. A Lebensdauer [Zyklenzahl] <500 > (Bei 1c Ladevorgang) 1000 (Bei 10c Ladevorgang) < 500 (Bei >30c Ladevorgang) Temp.bereich [ C] 0 C bis 50 C 35 C bis Ladedauer [min] >210min 2 75 C (auf 80 %) 10 (100%) Besonderheit Nachteile günstige Materialen < 20 C nicht mehr zu verwenden Bei 30 C immer noch 90 % Kap. 10 C bis < 2 60 C (bei >30c Ladevorgang ) sehr hohe Lade /Entladeströme < C bis 60 C < 10 Flexible Form Factor Alle Li Ionen Batterien sind sehr empfindlich gegenüber Kurzschlüssen, Tiefent und Überladungen. Intelligentes Ladegerät und redundante Überwachungselektronik erforderlich. 10/14

11 Optimierung des Separators 1. Beispiel: Die Firma LiTec hat Ende 2007 in Kooperation mit der Firma Evonik Degussa einen Separator auf Keramikbasis (SEPARION ) entwickelt. Vorteil Hält Temperaturen über 300 C stand Bleibt chemisch und physikalisch stabil Effekte Erhöht deutlich die Leitfähigkeit Höhere Sicherheit gegen thermal runaway Quelle: Für diese Technologie wurde der Firma LiTec der Deutsche Zukunftspreis 2007 verliehen. 11/14

12 2. Beispiel Die Firma Sk Energy entwickelte einen Separator auf Polymerbasis. Vorteil Das Polymer reagiert auf Temperaturveränderungen in der Zelle. Es schließt seine Poren bei einem kritischen Anstieg der Temperaturen über 120 C. Effekt Unterbinden eines thermal runaway Quelle: Die Firma Sk Energy wurde für diesen Separator für den Yang Shil Award 2006 nominiert. 12/14

13 Rohstoff Lithium Lithium ist ein Alkalimetall mit der Ordnungszahl 3 im Periodensystem. Es hat das höchste elektrochemische Potenzial, bei der geringsten Dichte [0,535 g/cm 3 ]. Vorkommen Lithium kommt zu 0,006 % Massengewicht in der Erdkruste vor. Damit ist es häufiger vorhanden als Kupfer (zum Vergleich Gold 0, %) Lithium kommt in Mineralgesteinen oder in Salzlaugen meist Salzseen in gebundener Form vor Verfühgbarkeit Der Anteil an Lithium im Meerwasser beträgt ca. 180 ppb Hauptabbaugebiet ist Chile, im Salzsee Solar de Atacama Weitere Abbaugebiete liegen in China (Tibet), Simbabwe, Australien, Kanada, Argentinien und Teilen der USA 13/14

14 Quellenangabe tipp.de autos.info tec.de der synergie.com nachrichten.com infos.de /14

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