E-Motion-Days der TIWAG-Tiroler Wasserkraft AG Forschung und Entwicklung von mobilen Batteriesystemen

Transkript

1 E-Motion-Days der TIWAG-Tiroler Wasserkraft AG Forschung und Entwicklung von mobilen Batteriesystemen Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen Technische Universität München Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik Innsbruck, 21. Oktober 2016

2 Übersicht Einführung Anforderungen mobiler Systeme Kosten Energiedichte - Lebensdauer Sicherheit - Recycling Grundprinzip der elektrochemischen Energiespeicherung Stand der Technik Heutige Li-Ionen Batterien und deren Systeme Aktuelle und zukünftige Forschungsaufgaben Potentiale des Li-Ionen Systems zur Erhöhung der Energiedichte Alternativen zum Li-Ionen System mit noch höheren Energiedichten Sichere Systeme mit Festkörperelektrolyten Ausblick

3 Lithium Ionen Batterien in Fahrzeugen und in stationären Anwendungen Stationär HE HEV HP EV HE Trends: Steigende Batteriegrößen Fallende Kosten Neue Anwendungen Elektromobilität ist mehr als E-Fahrzeuge: - E-bikes - E- Scooter - Schiffe mit alt. Antrieb - Elektrisches Fliegen PHEV HP/HE

4 Indirekte Energiespeicherung Ein Wirkungsgrad kann nur für einen (Teil-)Zyklus angegeben werden. Es gilt unter der Bedingung, dass der Anfangszustand gleich dem Endzustand ist: W W Entladen Eingeladen

5 Anforderungen an Energiespeicher Spezifische Energie [Wh/kg] Energiedichte [Wh/l] Kosten [ /kwh] Spezifische Leistung [W/kg] Leistungsdichte [W/l] Schnelladefähigkeit Sicherheit Lebensdauer [Zyklen] und/oder [Jahre]

6 Anforderungen an Energiespeicher (Ziele) Spezifische Energie [Wh/kg]: 200 Wh/kg Energiedichte [Wh/l]: 600 Wh/l Kosten [ /kwh] 150 / kwh Spezifische Leistung [W/kg] Leistungsdichte [W/l] Schnelladefähigkeit: 15 Minuten Sicherheit (mindestens gleiche Sicherheit beim Erreichen der anderen Ziele) Lebensdauer [Zyklen] und/oder [Jahre] : 15 Jahre

7 Wertschöpfungskette / Forschungsthemen Aktivmaterialien Zelle Systeme Integration Anwendung Material Cell Battery Integration Application

8 Funktionsweise einer elektrochemischen Zelle e - Entladestrom Neg. Elektrode Pos. Elektrode Komponenten einer Zelle: Übergang von der Elektronenin die Ionenleitung und umgekehrt Ionenstrom 2 Elektroden mit den Speichermaterialien Elektrolyt (ionischer Leiter) Separator Gehäuse, Dichtungen etc. Anode Oxidation des Aktivmaterials X X n+ + ne - Kathode Reduktion des Aktivmaterials Y m+ + me - Y Die Stoffmengen und deren Fähigkeit Ladung zu speichern bestimmen die Kapazität C Durch diese Reaktionen bildet sich eine Spannung U Energie = U * C

9 Funktion einer Lithium Ionen Zelle Materialien Lithium Kobalt (Mangan, Nickel) Graphit Organischer Elektrolyt

10 Kernparameter für Li-Ionen Batterien Kernparameter aus Sicht der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE) für die erste (2014), zweite (2017) und dritte (2020) Generation von Batterien für Elektrofahrzeuge.

11 Vergleich der Energiedichten und spezifischen Energie Li-ion 2016 Quelle: J. Garche, A. Jossen, H. Döring, VDI-Berichte Reihe 12, Verkehrstechnik/Fahrzeugtechnik (2002) Band 484, Hybridfahrzeuge und Energiemanagement, Batterien heutigen Entwicklungsstandes haben etwa 1/50 der spezifischen Energie und 1/25 der Energiedichte von fossilen Brennstoffen. Durch die Bessere Effizienz im Antriebsstrang (ca. 4 * besser) ergibt sich in der Praxis das 6 fache Volumen und das 12 fache Gewicht.

12 Motivation Speicherkosten Kosten eines BEV (2020) BEV groß (30 kwh Bat) BEV klein (10 kwh Bat) Abgeleitete Herstellkosten in Getriebe/Kupplung Nebenaggregate El. Maschine Motor Controller Leistungselektronik Sonst. Elektronik Traktionsbatterie Ladegerät Restliches Fahrzeug Grafik basierend auf: Strukturstudie BWe mobil

13 Kostenentwicklung Li-Ionen Batterien

14 Wirtschaftlichkeit von xev im vgl. ICE Oct 2016 Quelle: McKinsey

15 Weltweite Forschung im Bereich Li-Ionen Batterien Fraunhofer ISI, Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030 Fraunhofer ISI, Gesamt-Roadmap Lithium-ionen-Batterien 2030

16 Forschungsaktivitäten: Möglichkeiten zur Steigerung der spezifischen Energie und zur Kostenreduktion 1: Durch Einsatz neuer Materialien Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen (TUM) Vorlesung Batteriespeicher

17 Potential versus Li/Li + (V) C Kathode Li-Ionen Systeme: Materialien 5 V Doped LiMn 2 O 4 LiCoPO 4 LiMnPO 4 LiMn 2 O 4 Stand dertechnik (Kathode) LiCoO 2 Polyanionic compounds [Li 1-x VOPO 4, Li x FePO 4 ] LiNiO 2 Li x Mn 1-y M y O 2 [M=Cr, Co, ] Energie = U * C Vanadium oxides [V 2 O 5, LiV 3 O 8 ] MnO 2 Li 4 Ti 5 O 12 Spannung U heute ca. 3.8 V Stand der Technik Anode Composite alloys [Sn(M)-based] Carbons Graphite [Sn(O)-based] Si based materials Li metal Capacity (A h kg -1 ) C Anode Based on data of J.-M. Tarascon & M. Armand, Nature 414 (2001) 359

18 Potential versus Li/Li + (V) Mehr Energieinhalt, aber wie? 1. Anhebung der Zellspannung: Aber Problem der Elektrolytstabilität geringe kalendarische Lebensdauer 5 V Doped LiMn 2 O 4 LiCoPO 4 LiMnPO 4 LiMn 2 O 4 Verwendung von 5 V Kathodenmaterialien 5 Volt Li-Ionenzellen LiCoO 2 Polyanionic compounds [Li 1-x VOPO 4, Li x FePO 4 ] LiNiO 2 Li x Mn 1-y M y O 2 [M=Cr, Co, ] MnO 2 Li 4 Ti 5 O 12 Vanadium oxides [V 2 O 5, LiV 3 O 8 ] Auf Systemebene maximal 20% höhere spez. Energie möglich Composite alloys [Sn(M)-based] [Sn(O)-based] Stand der Technik Anode Carbons Graphite Si based materials Li metal Capacity (A h kg -1 ) Based on data of J.-M. Tarascon & M. Armand, Nature 414 (2001) 359

19 Potential versus Li/Li + (V) Mehr Energieinhalt, aber wie? 2. Hochkapazitive Anodenmaterialien: starke Volumenarbeit geringe Zyklenlebensdauer 5 V MnO 2 Doped LiMn 2 O 4 LiCoPO 4 LiMnPO 4 LiMn 2 O 4 Stand dertechnik (Kathode) LiCoO 2 Polyanionic compounds [Li 1-x VOPO 4, Li x FePO 4 ] LiNiO 2 Li x Mn 1-y M y O 2 [M=Cr, Co, ] Vanadium oxides [V 2 O 5, LiV 3 O 8 ] Auf Systemebene maximal 25% höhere spez. Energie möglich Li 4 Ti 5 O 12 Composite alloys [Sn(M)-based] Carbons Graphite [Sn(O)-based] Z.B. Einsatz von Si Nanowires für akzeptable Lebensdauern Si based materials Li metal Capacity (A h kg -1 ) Based on data of J.-M. Tarascon & M. Armand, Nature 414 (2001) 359

20 Potential versus Li/Li + (V) Technologien der nächsten Batteriegenerationen Problem nur lösbar mit einem hochkapazitiven Kathodenmaterial, aber Lebensdauer und Wirkungsgrad schwierig 5 V Doped LiMn 2 O 4 LiCoPO 4 LiMnPO 4 LiMn 2 O 4 LiCoO 2 LiNiO 2 Polyanionic compounds [Li 1-x VOPO 4, Li x FePO 4 ] Li x Mn 1-y M y O 2 [M=Cr, Co, ] Vanadium oxides [V 2 O 5, LiV 3 O 8 ] Oxygen (3V) Li-Luft Batterie MnO 2 Li 4 Ti 5 O 12 Composite alloys [Sn(M)-based] Carbons Graphite [Sn(O)-based] Si based materials Sulfur (2.1V) Li-Schwefel Batterie Li metal Capacity (A h kg -1 ) Based on data of J.-M. Tarascon & M. Armand, Nature 414 (2001) 359

21 Vergleich der Li-Luft Technologie mit Li-Ionen Systemen Es ist eine Halbirung des Gewichts möglich, allerdings werden weiterentwickelte Li-Ionen Systeme kleiner sein Wettlauf der Technologien Li-Ionen Li-Schwefel Li Luft Oliver Gröger, Hubert A. Gasteiger, Jens-Peter Suchsland, Journal of The Electrochemical Society, 162 (14) A2605-A2622 (2015)

22 Weiterentwickelte Li-Ionen Systeme Generelles Problem bei heute nahezu allen Systemen mit höherer spezifischer Energie (leichtere Batterien): Nachteile in der Lebensdauer, was bei Elektrofahrzeugen nicht so kritisch ist, da bei größeren Batterien auch weniger Zyklen notwendig sind Li-S und Li-Luft werden bezüglich Volumen gegenüber Li-Ionen keine Vorteile aufwesen. Sicherheitsprobleme sind zu lösen metallisches Lithium!

23 Forschungsaktivitäten: Möglichkeiten zur Steigerung der nutzbaren Energie und zur Kostenreduktion 2: Durch bessere Ausnutzung der Materialien z.b. Zelldesign Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen (TUM) Vorlesung Batteriespeicher

24 Messung von Inhomogenen innerhalb von Zellen Verwendung von Zellen mit mehreren Abgriffen (a) original, Zellmodifikation (b) Modified Exemplarisches Messergebnis Oben: kleiner Strom Unten: großer Strom (c) geometry P. J. Osswald, S. V. Erhard, J. Wilhelm, H. E. Hoster, and A. Jossen: Simulation and Measurement of Local Potentials of Modified Commercial Cylindrical Cells I. Cell Preparation and Measurements, J. Electrochem. Soc volume 162, issue 10, A2099-A

25 Entwicklung von sehr detaillierten Modellen für Simulationsrechnungen Elektrochemisch-Thermisch Elektrisch gekoppelte Modelle Detaillierte Modelle sind in der Forschung von zunehmender Bedeutung Optimierung des Zelldesigns, Systemoptimierung 25

26 Untersuchungen mit Neutronenstrahlen Bsp. Neutronendiffraktion Versuchsaufbau an der TU München Nachweis metallischen Lithiums Neutronenquelle der TU München (FRM II) Wichtige Erkenntnisse zum Schnellladen. V. Zinth et al. Lithium plating in lithium-ion batteries at sub-ambient temperatures investigated by in situ neutron diffraction, Journal of Power Sources, Volume 271, 20 December 2014, Pages

27 Forschungsaktivitäten: Möglichkeiten zur Steigerung der nutzbaren Energie und zur Kostenreduktion 3.: Durch bessere Ausnutzung der Zellen auf Systemebene z.b. Kühlsysteme Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen (TUM) Vorlesung Batteriespeicher

28 Konstruktionsprinzipien Li-Ionen Zellen Wickelzellen sind am preiswertesten, haben aber einen schlechten Füllfaktor und bei größeren Zellen eine schlechte Wärmeabgabe. Coffee-Bag Zellen können sehr dünn (< 1mm) konstruiert werden. Alle drei Technologien stehen heute im Wettbewerb. Prismatische Zelle Wickelzelle Positiver Pol PTC-Element Dichtung Isolierscheiben Zellgehäuse Berstscheibe Einweg-Unterbrecher Positiver Ableiter Separator Positive Elektrode Negative Elektrode Coffee-Bag Zelle Negativer Ableiter

29 Von der Zelle zum System Zellebene Modulebene Packebene m = 48 g E = 9,8 Wh 1 Zelle U 3,7 V m = 6,52 kg E = 1,98 kwh 112 Zellen U 30 V m = 91,2 kg E = 12,07 kwh 1232 Zellen U 325 V Batteriesystemtechnik Vorlesung 1 Prof. Jossen SoSe

30 Funktionen/Aufgaben auf Systemebene Schnittstellen Kontaktierung Klimatisierung Zellen Sicherheitselemente Schütz, Shunt, Isolationswächter Gehäuse Batteriemanagement 31

31 Beispielhaftes Forschungsthema auf Systemebene Verhalten parallel geschalteter Zellen - Stromaufteilung? - Lebensdauer? - Einflussfaktoren Zellen Kontaktierung Verschaltung Streuungen bei Zellen Verhalten Lebensdauer? Zellverhalten Zellauswahl Austausch von Zellen Zuverlässigkeit 32

32 Forschung und Entwicklung von mobilen Batteriesystemen Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen Technische Universität München Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik Innsbruck, 21. Oktober 2016