Energiespeicher Lithium-Ionen Batterie

Transkript

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2 Energiespeicher Lithium-Ionen Batterie State-of-the-Art und was uns in der Zukunft erwartet Dr. Falko Schappacher , IHK, Köln

3 Das MEET Batterieforschungszentrum Daten und Fakten Startschuss im September 2009 Einzug in die MEET-Arkaden Anfang 2011 Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster seit Mai 2013 Excellent Battery Cluster des BMBF Kompetenzzentrum Batterie des Landes NRW seit 2011 Ort des Fortschritts des Landes NRW (MIWF) Germany at its Best des Landes NRW (MWEIMH) Batteriespezifische Labormehrausstattung Internationalität Rund 130 Mitarbeiter/-innen aus über 10 Nationen, gefördert durch die Europäische Union 30% Mitarbeiterinnen Brücke von der Wissenschaft zur Industrie

4 Unsere Forschungsschwerpunkte Elektrochemische Energiespeicher Lithium-Ionen-Batterien Superkondensatoren (inkl. Lithium-Ionen-Kondensatoren) Batterien der nächsten Generation (z.b. Lithium-Metall-Systeme)

5 Fokus am MEET: Forschungs- und Kompetenzfelder BOARD OF DIRECTORS Scientific Leadership: Prof. Dr. Martin Winter // Management: Dr. Falko Schappacher Division Cell System Cell & Cell Design Aging Safety Division Analytics & Environment Electrolyte Aging Recycling & Second Life Toxicity Investigations Division Selected Materials Anode Non-ceramic Cathodes Inactive Materials Joint Groups Ceramic Cathodes Next Generation Electrolyte

6 Das MEET auf einen Blick Wissenschaftliches und technologisches Know-How Hochmoderne Laborausstattung Internationalität Weltweites Netzwerk mit Forschungsinstituten Universitäten Industriepartnern aus der Chemie-, Energie- und Automobilbranche MEET WHERE SCIENCE MEETS INDUSTRY

7 Anwendungsfelder der Lithium-Ionen Batterie

8 Marktentwicklung Weltweit Pack cell, cell assembly, BMS, connectors Power electronics (DC DC converters, invertors, ) not included Source: C. Pillot at Batteries 2014, September 24-26, 2014, Nice, France

9 Batteriemarkt Source: C. Pillot at Batteries 2014, September 24-26, 2014, Nice, France

10 Wertschöpfungskette der Lithium- Ionen Batterie Rohstoffe Materialherstellung Herstellung Komponenten Zellproduktion Modulherstellung Pack Assemblierung Fahrzeugintegration Verwendung im Fahrzeug 2nd Life Recycling Gewinnung der Rohstoffe (Abbau) Produktion und Assemblierung von Batteriezellen Verarbeitung der Rohstoffe zu Materialien für LIB Herstellung von aktiven und inaktiven Zellkomponenten (Anoden, Kathoden, Binder, etc.) Konfiguration von mehreren Zellen zu größeren Modulen Stacking der Module zu Batteriepack Verbindung mit BMS (Power-, Lade-, Temperaturmanagement Integration der Batterie in das Fahrzeug (inkl. Verbinder, Konverter, etc.) Verwendung während der spezifizierten Lebensdauer Batteriewiederaufarbeitung und Verwendung für stationäre Applikationen Deasseblierung und Recycling der Komponenten

11 Gipfelrennen Wer wird Erster?

12 Potential vs. Li/Li + / V Lithium-Ionen und Lithium-Metall: State of the Art 6 Cathode materials (Lithium/Lithium-Ion) "5V" "4V" "3V" LiMn 2 O 4 (LMO) LiCoO 2, Li[Ni x Co y Mn z ]O 2 (NMC), Li[Ni 0,8 Co 0,15 Al 0,05 ]O 2 (NCA) LiFePO 4 (LFP) e.g.: MnO 2 Anode materials (Lithium/Lithium-Ion) Graphite Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) Carbon based Capacity / Ah kg -1 Lithium- Metal

13 Potential vs. Li/Li + / V Lithium-Ionen und Lithium Metall: Potential für weitere Entwicklungen Cathode materials (Lithium/Lithium-Ion) "5V" "4V" "3V" Graphite x Li 2 MnO 3 /(1-x)LiMO 2 (M= Mn, Ni, Co) LiNi 0,5 Mn 1,5 O 2 LiCoPO 4 LiMnPO 4 Li 2 FeSiO 4, organic Cathodes Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) Carbon based Sn-C- Composite Anode materials (Lithium/Lithium-Ion) Tin (Sn) Metal oxides (Conversion materials) Si-C-Composite Capacity / Ah kg -1 Silicon (Si) Lithium- Metal

14 Potential vs. Li/Li + / V Anoden- und Kathodenmaterialien: Volumetrische Kapazitäten* NMC 4V Graphit Lithium- Metal Capacity / Ah L -1 * Basierend auf Dichte des Aktivmaterials

15 Potential vs. Li/Li + / V Anoden- und Kathodenmaterialien: Volumetrische Kapazitäten* NMC 4V HE-NMC Graphit Lithium- Metal Capacity / Ah L -1 Si * Basierend auf Dichte des Aktivmaterials

16 Potential vs. Li/Li + / V Anoden- und Kathodenmaterialien: Volumetrische Kapazitäten* Porosity/CA: 30% HE-NMC Li 2 O 2 in C (50%) Si-Content: 20% Porosity:30% and Porosity (30%) Lithium- Si/C Si Metall /4 O 2 (Li 2 O 2 ) GDE, Porosity: 65-70% S-Content:60-65% Lithium- Metal S (Li 2 S) Capacity / Ah L -1 * based on density of active material

17 Specifische Energie / Energiedichte LIB vs. PLIB Specific energy / Wh(total) / kg (Cell level) Specific energy / Wh (total) / kg (System level) Energy density / Wh (total) / L (Cell level) Energy density / Wh (total) / L (System level) Li-Ionen Systeme haben das Potential für Steigerung der gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte um den Faktor ~ 2 Systemlevel-Analysen des Li/S und Li/O 2 Systems deutet auf vergleichbare gravimetrische Energiedichten, jedoch auf signifikant geringere volumetrische Energiedichten für PLIBs vs. optimierte LIBs LIB LIB optimistic* Li / Sulfur optimistic* Systemlevel-Analysen des Li/O 2 Systes keine großen Vorteile mit Blick auf gravimetrische Li / O 2 optimistic* Energiedichten und signifikante Nachteile mit Blick auf volumetrische Energiedichten *Presumption: Li-Metal [1] T. Greszler, Beyond Lithium Ion 5, Berkeley, CA 2012.

18 Lithium-Ionen vs. Post-Lithium-Ionen: Energiedichte

19 Lithium-Ionen vs. Post-Lithium-Ionen: Energiedichte

20 Lithium-Ionen vs. Post-Lithium-Ionen: Energiedichte

21 Lithium-Ionen vs. Post-Lithium-Ionen: Energiedichte

22 Kontakt Westfälische Wilhelms-Universität MEET Batterieforschungszentrum Corrensstr Münster Tel.: Fax: Prof. Dr. Martin Winter Dr. Falko Schappacher Dr. Adrienne Hammerschmidt