Energie effizient speichern - Innovative Anwendungen der Lithium-Ionen-Batterie

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1 Energie effizient speichern - Innovative Anwendungen der Lithium-Ionen-Batterie DI Dr.techn. Michael Sternad Arbeitsgruppe Wilkening Institute for Chemistry and Technology of Materials - Graz University of Technology

2 Inhalt Definitionen und Grundlagen Lithium-Batterien Li-Batterieformate Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Inhalt Definitionen und Grundlagen Lithium-Batterien Li-Batterieformate Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick 3

4 Definition Energiedichte Volumetrische Energiedichte Einheit: Wh.l -1 - Energie pro Volumen wichtige Größe für Handheldanwendungen z.b. Handys, MP3-Player, Camcorder, Laptops Gravimetrische Energiedichte Einheit: Wh.kg -1 - Energie pro Masse wichtige Größe für mobile Anwendungen z.b. Hybrid-/Elektroautos, Luft- und Raumfahrt 4

5 Batterie Einteilung nach Reversibilität o Primärelemente Entladung ist der erste (primäre) Schritt o Sekundärelemente ( Akkumulatoren ) Vor Einsatz ist Ladeschritt erforderlich Entladung ist der zweite (sekundäre) Schritt 5

6 Komponenten einer Batterie o Elektroden, Eigenschaften während Zellentladung: Anode: reduktives Redoxpotenzial, wird oxidiert Kathode: oxidatives Redoxpotenzial, wird reduziert o Elektrolyt: ionischer Leiter, elektrischer Isolator o Separator: räumliche Trennung der Elektroden o Gehäuse, Stromableiter, BMS 6

7 Inhalt Definitionen und Grundlagen Lithium-Batterien Li-Batterieformate Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick 7

8 Besondere Eigenschaften von Lithiumbatterien (LIB) hohe Zellspannung von bis zu 4,2 V + E 0 (Li/Li + ) = 3,04 V (elektrochemische Spannungsreihe ) breites Stabilitätsfenster des organischen Elektrolyten hohe Energiedichte 350 Wh/l (1999) 605 Wh/l (2007) 725 Wh/l (2013) 1,2,3 hohe Zyklenfestigkeit 10% capacity fade nach 500Z (2013) 4 sinkende Preise 1000 /kwh (2008) 500 /Wh (2010) 200 /Wh (2013) 5 1. Chemie in unserer Zeit, 33.Jahrg / Nr Batteries Mid-Term forecast, ver. 22/3/ ( ) 4. Panasonic CGR KA 18650, product datasheet 5. ( ) 8

9 Lithium-Ionen-Batterie elektrochemische Grundlagen Solid Electrolyte Interphase (SEI) reduktiv aus Elektrolyt entstandene Passivschicht 9

10 Primäre Lithium-Batterien Lithium-Ionen-Batterie Aktivmaterialkombinationen Li / MnO 2 Li-Knopfzellen (z.b. CR 2032) Li / I 2 Lithium-Iod (Herzschrittmacher) Li / SOCl 2 Lithium-Thionylchlorid (Tieftemperatur, Militär) Sekundäre Lithium-Batterien ( Lithium-Ionen-Batterien ) Lithium-Ionen-Batterie (flüssiger Elektrolyt) Lithium-Polymer-Batterie (gelierter oder fester Elektrolyt) z.b. Graphit / LiFePO 4, Graphit / LiMn 2 O 4, Graphit / NMC o. NCA Li-Titanat / LiMn 2 O 4 (einige Zyklen) 10

11 Inhalt Definitionen und Grundlagen Lithium-Batterien Li-Batterieformate Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick 11

12 Mikrobatterien Li - Batterieformate einige mm², in Entwicklung (TU-Graz) Handheld (Wh) Laptop, Camcorder (Zellformat 18650) Handy, ipad (prismatische Pouchzelle) Traktionsbatterien (kwh) ebike, Pedelec Hybrid-, Elektroautos, Arbeitsfahrzeuge Stationäre Batterien (kwh - MWh) klein groß 12

13 Batterieformat das Standardformat Zylindrische Zelle Durchmesser 18 mm Länge 65 mm Designvarianten High Energy: bis 3,4 Ah / 0,5-1C High Power: bis 1,5 Ah / 4-20C Preis / Zelle Japan, Südkorea: 1,3-1,5 $ China: 0,5 $ (2013) 13

14 Batterieformat Sicherheitsfeatures p > ~7 bar Venting Quelle: ( ) 14

15 Batterieformat 18650: Betrieb und Alterung 1,5 Ah High Power, 3.3C Laden/Entladen C 40 C 60 C discharge capacity / Ah coulombic efficiency / % cycle cycle cycle Energieeffizienz 89% 90% 91% 15

16 Inhalt Definitionen und Grundlagen Lithium-Batterien Li-Batterieformate Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick 16

17 Notebook - Batterie BMS-Funktion, P4S- Konfiguration PTC T - Sensor 4 x U - Messung Quelle: ( ) 17

18 ebike - Batterie in 5P12S- und 4P10S- Konfiguration Quelle: ( ) 18

19 Tesla Model S Beschleunigung km/h: 4,4 s Reichweite: 480 km (85 kwh) Leergewicht: 2108 kg Quelle: Tesla Motors ( ) 19

20 Tesla Model S: Batterie Gewicht: 408 kg (60kWh), 578 kg (85kWh, berechnet) Aufbau: Stk. Panasonic Zellen mit je 2,9 Ah Garantie: 8 Jahre und/oder km Quelle: Tesla Motors ( ) 20

21 Tesla Supercharger Network Stromtankstellennetz Leistung: 120 kw elektr. (50l Super 95/1,5 min: 20 MW therm.) Reisen city to city und from coast to coast 20 min Laden - 3 h Fahren (Model S) Quelle: ( ) 21

22 Brennstoffzellen mit Lithium- Boost U-Boot-Klasse 212 A, Hyundai ix35 LIB für Abdeckung der Leistungsspitze beim Alarmtauchen. Keine Wasserstoffentwicklung der Batterien im Ggs. zu Blei. LIB für Abdeckung der Leistungsspitze beim Beschleunigen. Quelle: HDW, ( ) 22

23 Stationäre Lithium-Systeme Standort für einen für 2014 geplanten stationäre 5 MWh-Energiespeicher in Berlin-Adlershof (WEMAG /Samsung) Quelle: ( ) 23

24 Inhalt Definitionen und Grundlagen Lithium-Batterien Li-Batterieformate Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick 24

25 Zusammenfassung und Ausblick LiBs haben einzigartige Eigenschaften weiter steigende Energiedichten z.b : 725 Wh/l (3,4Ah) auf 870Wh/l (4,0Ah) weiter fallende Preise 200 /kwh (2013) auf 100 /kwh (nächste Jahre) zukünftig vielversprechende Zellformate Mikrobatterien (klein, langlebig, Massenproduktion) stationäre Batterien ( groß und billig - /kwh) 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Chemieinstitute der TU-Graz 26

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