Die Lithium-Ionen-Batterie als Energiespeicher der Zukunft: Evolution und Revolution in einem

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1 Herausforderung CO2 Sind 120 g/km machbar und vernünftig bezahlbar? Workshop am , Düsseldorf, auf Einladung der Energieagentur.NRW Die Lithium-Ionen-Batterie als Energiespeicher der Zukunft: Evolution und Revolution in einem Martin Winter Institut für Physikalische Chemie (IPC); WWU Münster Martin Winter, Stiftungsprofessur am IPC Münster Seite 1

2 CO2 Reduktionspotential: vs. Investkosten & Absolut % CO 2 Reduction abs. Source: Deutsche Bank % CO 2 Reduction / $ 100

3 CO2 Reduktionspotential: vs. Investkosten & Absolut % CO 2 Reduction abs. Source: Deutsche Bank % CO 2 Reduction / $ 100

4 Der Markt für Li-Ionen-Batterien ist riesig, und er wurde schon in der Vergangenheit revolutionär erschlossen Konsumer Anwendungen LEV, Power Tools, Utilities Automotive HEV & EV Stationary Elec. Storage Marktgröße Batterien 3 Mrd (2007) medium 1,5 Mrd (2010) Groß 25 Mrd (2020) Sehr groß Markteinführung 1990 durch Sony Erste Fahrzeuge Realisierbarkeit nachzuweisen Chancen für Deutschland Minimal Moderat Gut bis sehr gut Sehr günstige Ausgangsposition Typische Batteriegrößen (kwh) 0,001 0,1 0,

5 Technologiewandel: Die (Li-Ionen)-Batterie als Jobmotor im Chemie-, Automobil- & Energie-Sektor Beschäftigte* Zukunftstechnologie: Elektroauto Beschäftigte* Zukunftstechnologie: Regenerative Energien Beschäftigte* *Beschäftigte in NRW 2007/2008

6 Entwicklung der Hochenergie- Speichertechnologie Elektrische Reichweite [km] Golf Plattform 1500 kg, 18 kwh/100km Reichweitenberechnung auf Basis Batteriesystem Evolutionäre Entwicklung 140 Wh/kg * 600 W/kg 170 Wh/kg * 800 W/kg 200 Wh/kg * 1000 W/kg 1500 Wh/kg * 1000 W/kg Grenze d. Lithium-Ionen Technologie revolutionärer Technologiewechsel *) Energiedichte bezogen auf Zelle EV 200 l Plug-In 100 l Prototypenbatterie verfügbar; Serieneinsatz + 3J. 6

7 Reichweiten von ca. 100 km bringen nicht den "gewohnten" Fahrspass, aber die "letzte Alternative" ist überhaupt kein Fahrspaß!

8 Der Lithium-Ionen-Vorteil: Hohe Energie und/oder (!) hohe Leistung, je nach Auslegung* Specific power [W/kg] Supercapacitor Spiral Lead Lead Ni-Cd High Power Li-Ion Lead-Acid (submarines) Ni-MH Medium Range Li-ion Na-NiCl 2 Li-Polymer High Energy Li-ion 100C 10C C C/ Specific Energy [Wh/kg] C/100 *Courtesy of SAFT

9 Chemie lehrt: Kombination von "Extrem" und "Leicht" liefert Hochspannung & Hochenergie Hohe Spannung, hohe Energie, aber auch hohe Reaktivität (Sicherheit, Leben)

10 Die Lithium-Ionen-Zelle: Konservierung von Strom in der High-Tech-Chemie-Dose Interne Chemie Der äussere Anschein Materialwissenschaften Elektrochemie Dünnschicht-Technologie Nano-Technologie Internes Design Große Vielfalt an Materialien Evolutionäre Technologiefortschritte über "Drop-in-Approach" Roadmap

11 Der Lithium-Ionen-Vorteil: Variabilität Maßgeschneiderte Lösungen Material-Vielfalt der Lithium-Ionen-Batterie Baukastenprinzip D + - LiC C + xli + xe x n n C D - + Li1-xMO 2 + xe + xli LiMO 2 C Negative Electrode Electrolyte Positive Electrode Oxygen Metal Graphite Lithium Discharge Charge Design-Vielfalt: Auslegung entsprechend Anforderungsprofil der Anwendung

12 Die Herausforderung: Batteriekosten auf Zellebene Heute: LIB für Computer ist bei einem Kosten- Niveau von ca. $ pro kwh (Zellebene) : LIB-Kosten für das Automobil werden mit $ pro kwh geschätzt/gewünscht (Batterieebene) Source: Advanced Automotive Batteries

13 Die Herausforderung: Schließen der Wertschöpfungskette in Deutschland Situation in Deutschland: Materialien Komponenten Zellen Batterien Antrieb Fahrzeug Starke Chemie!? Starke Zulieferer und Automobilisten!

14 Gibt es Batterietechnologien nach Lithium-Ionen? "Everything that can be invented has been invented." (Charles Duell, Commissioner of US Patent Office, 1899) "The world may need overall 3-5 computers" (CEO of IBM, 1947) Das bessere ist der Feind des Guten. (Le mieux est l'ennemi du bien. Voltaire, , Dictionnaire Philosophique)

15 Back up

16 Pentagon of Demands for the Lithium Ion Technology in EVs Energy Cost Power Life Safety Is it possible to have all 5 features in one?

17 Lithium Ion Issue: Is Lithium Ion Durable Enough? Yes, but..this is dependent on the used discharge capacity (DoD) DoD: Depth of discharge NC: Nominal Capacity *Source: JCS, 2008

18 Lithium Ion Issue: Is Lithium Ion Durable Enough? Yes, but..not at high temperatures Calendar Life Comparison Calendar Life of High Power Li Ion Cells* Calendar Life (yrs) Temperature (C) P155 P181 *Source: SAFT, Only partially experimental!

19 Summary: Li Ion Batteries Battery technology change has been experienced for consumer electronics and power tools: Ni-based batteries have been replaced by Li Ion. (P)HEV and EV seem to soon follow this historical trend. The strength of Li Ion is the large variability in Chemistry Design Size which allows evolutionary technology development Roadmap High voltage, energy and power are considered as Li Ion advantage, but inevitably have a negative influence on safety and life. Engineers and material scientists world-wide are

20 Long-Term Demand Forecast for LIB (Wh base) / Market Players* Others A Wh base demand MegaWh/CY NiCd HEV NiMH NiMH Automotive LIB Lami LIB Pr LIB Cy LIB E-One NEC SGS ATL Lishen Maxell MBI LGC BYD Sony SDI Sanyo CY 04CY 05CY 06CY 07CY 08CY 09CY 10CY 11CY 12CY 13CY 14CY 15CY 16CY 17CY CY cell shipment M cells/cy Over 3x material demand increase in next 10 years LIB total 13299MWh@07CY 47292MWh@17CY Automotive LIB 9404MWh@17CY, = 20% of LIB total *Source: IIT, JP, 2008

21 The Lithium Ion Issue: Safety Cause overcharge over-discharge short circuit (too) fast (dis)charge Abuse: mechanical, thermal Manufacturing variance! Mechanism cell heating electrolyte evaporation gas evolution cell venting/rupture fire/explosion Effect burning melting notebooks cars battery plants Burning notebook at a conference in Osaka, Japan 06/2006, photo: The Inquirer) Burned-out truck due to notebook that caught fire (07/2006, photo: The New York Times)

22 Life-Cycle-Cost-Comparison: ICE vs. EV & 2010 vs. 2020* Costs in Euro Battery Costs: 2010: 400/kWh 2020: 200/kWh *Source: Roland Berger: Automotive Insights Report, 2008 Key assumptions; Net Present Value (NPV) perspective over 12 years Discount rate of 6 %, Mileage of 180,000 km Vehicle purchase price remains constant (ICE and EV similarly expensive, without battery) Gasoline and electricity price with 6% Compound Annual Growth Rate (CAGR) Battery cost [EUR] 12,000 6,000 ICE consumption [I/100 km] EV electricity consumption [kwh/100 km] Gasoline price [EUR/L] Electricity price [EUR/kWh]