Nachhaltigkeitsaspekte zu Nanomaterialien und Nanostrukturen in emergenten Batteriespeichern

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1 Nachhaltigkeitsaspekte zu Nanomaterialien und Nanostrukturen in emergenten Batteriespeichern Marcel Weil, Manuel Baumann, Jens Peters Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) Helmoltz-Institut Ulm für elektrochemische Speicher (HIU) KIT University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Vorgestellte Nachhaltigkeitsaspekte Umwelt-Aspekte Kosten-Aspekte Ressourcen-Aspekte Soziale-Aspekte 2 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

3 Potentieller Speicherkapazitätsbedarf (GW, 8h>t<10h pro Tag) für Energiewende Quelle: Baumann et al Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

4 Marktentwicklung des Batteriebedarfs für elektronische Geräte (GWh) [Statista 2017] 4 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

5 Entwicklung des Elektrofahrzeugbestandes bis Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017 [IEA 2017]

6 Gegenwärtige Batteriesysteme Wh/l Wh/kg 7 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

7 Promising Materials in Battery Systems 8 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017 & M. Fichtner, JALCOM 509 (2011) S529

8 Problemfelder elektrochemischer Energiespeicherung Kosten Lebensdauer Kalender Zyklisch Energiedichte Leistungsdichte Schnellladung Effizienz Sicherheit 10 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

9 Neue Materialien - Nano Materialien Nano Strukturen Die Lösung? 11 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

10 Wo ist potentiell überall Nano? BMS Kathode Membran Anode Elektrolyt Ableiter 12 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

11 Beispiel: Nanostrukturen von Lithium-haltigen Anoden-Material [Oak Ridge National Laboratory] 13 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

12 Beispiel: Polymer-Elektrolyt Erhöhung der Ionen-Leitfähigkeit durch den Einsatz von keramischen Nano-Röhren 14 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017 [Liu, Wei et al. 2015]

13 Beispiel: Kathodenmaterial für Li-S Batterien Researchers with appointments at both UC Berkeley and Lawrence Berkeley National Laboratory have developed a high-rate and long-life Li-sulfur battery cell. The cathode material is a core shell nanostructure comprising Li2S nanospheres with an embedded graphene oxide (GO) sheet as a core material and a conformal carbon layer as a shell. [UC Berkeley] 15 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

14 16 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017 Beispiel: Kathoden-Material

15 Beispiel: Hardcarbon aus Bio-Abfall 17 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

16 Beispiel: Nano-Silicon (Kathode) [Maxell] 18 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

17 Batterien mit Nano-Materialien Lebenszyklus Mögliche Pfade R&D Produktion Nutzung Multiple oder Mehrfach Nutzung Recycling/ Beseitigung Fate Analyse 19 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

18 Life Cycle Stages of CNTs in EV-Batteries (1) (1) (2) (3) (4) MWCNT- Synthesis Inertization & Cooling Washing Filling & Packaging Cleaning of equipment (5) (5) (3) (3) (6) Transport Storage Unpacking & Tipping Abstraction & weighting Dispersing & Homogenizer (7) (8) (4) Emission very unlikely (9) Coating & Drying Cutting & Sealing Cleaning of equipment Use phase Waste treatment emissions to air water soil direct human exposure Colors: represent different locations. Black: variable location Red Filled: exposure hot spot 21 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

19 Wo findet das Recycling statt? Geregeltes Recycling Ungeregeltes Recycling RMTH Aachen, IME Afrika 22 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

20 In depth analysis of recycling options of traction batteries 23 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

21 Batterien mit Nano-Materialien Lebenszyklus Ökobilanz R&D Produktion Nutzung Recycling/ Beseitigung Multiple oder Mehrfach Nutzung Auswirkungen von CNT 24 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

22 Beispiel:LiFePO 4 Prospective Ökobilanz (LCA) Einer CNT-Optimierten LiFePO 4 -Batterie für automobile Anwendungen. [Nissan LEAF] 25 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

23 LiFePO 4 Batterie Relativ sehr sicher, niedrige Rohstoffkosten Hauptproblem: Niedrige Leitfähigkeit von LiFePO 4 Lösung: Nutzung von CNT als leitfähiges Additiv Gewünschte Effekte des CNT Einsatzes (Basierend auf Literatur): Erhöhung der Elektronen- und Ionen-Leitfähigkeit Erhöhung der Energiedichte Erhöhung der Lebensdauer 26 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

24 Vereinfachte Ökobilanz (LCA) Vergleiche eines Fahrzyklus eines Fahrzeugs mit LiFePO 4 Batterie gegenüber Fahrzeug mit CNT verbesserter Batterie Funktionale Einheit: 100 km (Lebensdauer Batterie: km) 4wt% MWCNT in Kathoden-Slurry MWCNT ca. 0.93% des Batterie Gewichtes Konstante Batteriekapazität (23.76 kwh) Energieverbrauch des Fahrzeuges ist beeinflusst durch das Fahrzeuggewicht Keine Gutschriften aus dem Batterie-Recycling [Zimmermann & Weil 2013] 27 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

25 Szenarios: CNT Effekte Szenario 1 +15% Energiedichte (gravimetric) -> -15% Kathoden-Gewicht Szenario 2 +15% Energiedichte (gravimetric) -> -15% Kathoden-Gewicht +5% Lebensdauer 28 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

26 Kumulierter Energieaufwand (KEA) -15% cathode weight +5% lifetime -15% cathode weight Basic scenario Energy demand of use phase: 94% Energy demand of battery production: 6% 29 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

27 Kumulierter Energieaufwand (KEA) -15% cathode weight +5% lifetime +5% efficiency -15% cathode weight +5% lifetime +1% efficiency -15% cathode weight +5% lifetime -15% cathode weight 30 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

28 Batterien mit Nano-Materialien Lebenszyklus Ökobilanz R&D Produktion Nutzung Recycling/ Beseitigung Energieaufwendung CNT Multiple oder Mehrfach Nutzung 31 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

29 Kumulierter Energieaufwand der Herstellung einiger Metalle Cumulativ Energy Demand [MJ/kg] Pb Cu Al Li Metal 32 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

30 KEA für Herstellung von CNT Cumulativ Energy Demand [MJ/kg] > Pb Cu Al Li Black Carbon MWCNT (CVD, fluidized bed) 5200 MWCNT (CVD, dispersed, purified) SWCNT (CVD) SWCNT (laser ablation) Metals Nano Materials 33 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

31 CNT Toxizität Charakterisierungsfaktoren für LCA 34 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

32 35 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017 USETOX

33 Batterien mit Nano-Materialien Lebenszyklus Awareness R&D Produktion Nutzung Recycling/ Beseitigung Multiple oder Mehrfach Nutzung 36 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

34 37 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017 Bewusstseinsbildung Constructive Technology Assessment (CTA) Entwickelt um 1990 in den Niederlanden (Arie Rip) Erweiterung der Designphase für neue Technologien Berücksichtigung von weiteren Aspekten und Akteuren Iterative Rückkopplung von TA und SA in die Designphase neuer Technologien Ziel: Prävention von technologischen Fehlanpassungen einer emergenten Technologie durch die Berücksichtigung ökonomischen, ökologischen und sozialen Aspekten

35 Technologie- Entwickler Performance Orientiert Gesellschaftliche Stakeholder/ Nutzer Andere Perspektive/ Werte Produktion NGO Umwelt- Verbände Nutzung Nachnutzung C T A 38 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

36 Batterien mit Nano-Materialien Lebenszyklus Awareness Awareness R&D Produktion Nutzung Recycling/ Beseitigung Multiple oder Mehrfach Nutzung Sustainability 39 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017

37 CTA in early design phases of nano enabled electro chemical storage systems Thank You 40 Dr. Marcel Weil - NanoDialog Berlin 2017