Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien

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1 Folie 1 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien K. Andreas Friedrich, N. Wagner, W. Bessler Institut für Technische Thermodynamik Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v.

2 Folie 2 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Schlüsseltechnologie für Elektrische Energiespeicherung: Batterien Verkehr / mobil - Hybrid-Fahrzeug - Plug-in Hybrid - Batteriefahrzeug Energie / stationär - Frequenzstabilisierung - Last-Management - Kopplung mit EE - Notstrom und Pufferbatterie

3 Folie 3 > Vortrag > Friedrich Forschungsaktivitäten für Batterien - Sicherheit - Kosten - Energie => Reichweite - Leistung => Beschleunigung - Lebensdauer, Selbstentladung

4 Folie 4 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Innovative Li-Batteriekonzepte am DLR Entwicklung von Li-Batterien mit deutlich erhöhter Energiedichte (Li-S, Li-Luft) Zuverlässiger und sicherer Betrieb von Hochleistungsbatterien Kompetenzen des DLR: - Elektrochemische Eigenschaften und Zustandsdiagnose - Modellierung - In-situ Diagnostik - Zellentwicklung - Nutzung der Infrastruktur aus der Brennstoffzellenforschung: Synergien in der Herstelltechnik und der Charakterisierung

5 Folie 5 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Übersicht: Lithium Batteriemodellierung am DLR LiFePO 4 Batterien: Thermisches Elektrochemie und e Li + Management und Impedanz run away Verständnis und Optimierung des physiko-chemischen Verhaltens Verständnis und Optimierung des thermischen Verhaltens und der Sicherheit Lithium-Schwefel Zellen: Redox-Chemie und Transport Analyse der Zyklisierung und der Reversibilität Lithium-Luft Zellen: Multi-phasen Chemie und Reversibilität Verbesserung der bifunktionalen Sauerstoffelektrode

6 Folie 6 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Modellierung von Zellen Ziel: Verständnis des makroskopischen Verhaltens (Kapazität, Leistung, SOC), Lebensdauer (SOH) und Sicherheit (thermisches Management) auf Basis der mikroskopischen Chemie und Physik Thermodynamik Kinetik Transport Einzelzelle + + Enthalpie,Entropie, Li (de)interkalation in Aktivmaterialien Makroskopisches Halbzellenpotenzial SEI-Bildung Kompositelektroden Zell-Verhalten Ansatz: Kombination von multiskalen Modellierungsmethoden und in-situ / exsitu experimentelle Untersuchungen

7 Multi-Skalen Modellierung von Hochleistungszellen LiFePO 4 Computer Tomographie Li + -Ladungstransport: 180 µm Skala Positive current collector Positive electrode -LiFePO 4 Negative electrode -LiC Negative current collector 6 e Li + -LiPF 6 Li-Transport in Separator Festphase: nm Skala Electronically conductive coating e Li + Li Electrolyte Active material

8 Ergebnisse: Entladekurven, Variation der C-Rate Experimente: Batterielabor Unterschiedliche C-Raten (Start: 100 % SOC) Flache Entladekurven, Spannungsvariation hauptsächlich von C 6 - Elektrode Gute Übereinstimmung zwischen Modell und Experiment; Abweichung bei 4,6 C Rate wahrscheilich wegen Vernachlässigung der Wärmeentwicklung Cell Voltage [V] C 1C 2C 4.6C Experiment Simulation Capacity [Ah]

9 Folie 9 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Ergebnisse: Entladekurven, Variation der Temperatur - 1C Entladung bei verschiedenen Temperaturen, LiFePO 4 - Zellen - Einbussen der Leistungsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen: - Höhere kinetische Verluste - Kapazitätserniedrigung Cell Voltage [V] Experimente: Batterielabor Polarization losses Capacity losses 50 C C 20 C C 0 C C C Capacity [Ah]

10 Folie 10 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Motivation für Neue Batteriekonzepte: Energiedichte -Li/Air *E. J. Cairns, in Lithium Battery Technology, ed. by H. V. Venkatasetty, John Wiley & Sons (1984) 179, Venkatasetty, John Wiley & Sons (1984) 179

11 Folie 11 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Unterschied praktische / theoretischer Energiedichte 1/3 Quelle: FC-Bat Große Unterschiede zwischen theoretischer und praktischer Energiedichte Faktor 2-3 realistisch für neue Batteriekonzepte Source: Samsung, EVS Zellen, 144V, 6Ah, 30 kw, 31kg, 38l

12 Folie 12 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Lithium-Schwefel-Batterien Vorteile: - Hohe theoretische Kapazität (1675 mah/g) und hohe spezifische Energiedichte (2500 Wh/kg) (vollständige Reaktion zu Li 2 S) Niedrige Materialkosten und hohe Verfügbarkeit von Schwefel Umweltfreundliche Materialien (nicht toxisch) Intrinsischer Schutz gegen Überladung Stand Sion Power (Kooperation mit BASF): - Kapazität Ah - Spannung 2.1 V - Spezifische Energie Wh/kg

13 Folie 13 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Entwicklung von Li-Schwefel Batterien Ziel: - Hochenergiebatterien - Transfer von DLR Know-How aus dem BZ Bereich für Batterie-Elektrodenentwicklung Arbeitsschwerpunkte: - Anwendung von Rakel und Suspensionssprühverfahren für Kathodenentwicklung - Elektrochemische Charakterisierung - Multiskalenmodellierung zum Verständnis von Versagensmechanismen und verbesserten Zellkonfigurationen Bisherige Ergebnisse: - Präparation von Kathoden mit Suspensionssprühverfahren - Untersuchungen zum Langzeitverhalten - Einsatz verschiedener Separatoren und C-Varianten - erste in-situ XRD-Messungen

14 Folie 14 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Ergebnisse Li-S: Zyklisierung Fall 1 Fall 2 Stromstärke 533 mah/g S Schwefelausnutzung nach 100 Zyklen: 75 % der Anfangskapazität Schichtdicke: 38 µm Stromkollektor: Al-Folie Anfangskapazität: 1551 mah/g Schwefel (~ 93 % der theoretischen Kapazität)

15 Folie 15 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Ergebnisse: Oberfläche der Kathoden vor und nach Zyklisieren Suspensionsbeschichtete Al-Folie Vor Batterietest nach 50. Zyklus Suspensionsbeschichteter Ni-Schaum Vor Batterietest nach 50. Zyklus Kathodenoberfläche von Schicht überzogen (Li-Polysulfide) Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum

16 Folie 16 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Rasterkraftmikroskopie Statistische Analyse der leitfähigen Fläche mit AFM (PeakForce-TUNA, Bruker). Geringste Änderung des leitfähigen Netzwerkes korreliert mit den besten Batterieeigenschaften. AFM Bild: Stromverteilung auf S/C Kathode vor den Zyklisieren. I/nA 40 0 x/μm Current profile along a line S. Sörgel, R. Hiesgen, I. Wehl; R. Costa; L. Carle; B. Pascucci; K.A. Friedrich, submitted. J. Power Sources

17 Folie 17 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich In-situ XRD: Erste Entladung einer Li-Schwefelbatterie Diffraktogramme der Kathode und gemessene Entladungskurve (300 ma/g S) -a -b -c a: Lösung von S im Elektrolyt und Reduktion zu Polysulfiden höherer Ordnung b: weitere Reduktion von löslichen Polysulfiden c: Kristallines Li 2 S wird gebildet

18 Folie 18 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Schematische Darstellung einer Lithium-Luft- Batterie mit wässrigen Elektrolyten Zwischenschicht Lithium Festkörper Li + -Leiter Reaktionsprodukte Wässrige Elektrolytlösung O 2 -Reduktion Reaktionsgleichung (alkalischer Elektrolyt): 4 Li + O 2 + 2H 2 O 4LiOH; E = 3,45 V

19 Folie 19 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Mehrlagige Elektroden Trockensprühverfahren C/PTFE Walzverfahren Ag-PTFE

20 Folie 20 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich Zusammenfassung Elektrochemische Speicherung am DLR: - Modellierung und Zustandsdiagnose - Sicherheitsstrategien - Orientierung auf Li-S und Li-Luft - Zellentwicklung - Kalorimetrische Untersuchung - Anwendung in Hybridsystemen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit