Aktuelle Entwicklungen zu elektrischen Energiespeichern für Antriebssysteme

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1 Aktuelle Entwicklungen zu elektrischen Energiespeichern für Antriebssysteme Aachen Dirk Uwe Sauer Juniorprofessur für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) Univ.-Prof. Dr. ir. Rik W. De Doncker RWTH Aachen Motivation Hybrid für Ober- und Mittelklasse zur Leistungssteigerung und Emissionsreduzierung Quelle: manager magazin Konsequente Weiterentwicklung bis zum reinen Elektroauto Ankündigungen von allen namhaften Herstellern, teilweise früher als erwartet Quelle: Spiegel Online Quelle: Volvo Folie 2

2 Gliederung Einleitung Aktuell verfügbare Speichertechnologien Lithium-Ionen-Batterietechnologie Materialien Zelltechnologien Produkte Kosten Entwicklungsziele Kooperationen der Automobilindustrie mit Batterieherstellern Alternative Konzepte Zusammenfassung Folie 3 Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren ( Supercap ) - Funktionsprinzip Energiespeicherung im elektrischen Feld ohne elektrochemische Reaktion Oberflächenvergrößerung durch poröses Material, Abstand Ladungsträger ca. 10 nm Nennspannung 2,5 bis 2,7 V Zyklenlebensdauer > Energiedichte ~ 5 Wh/kg / 5 Wh/l 150F/42V EPCOS 5000 F NESS 5000 F Folie 4

3 Aktuell verfügbare Speichertechnologien - SuperCaps Supercaps für Start/Stopp-Technologie geringe Energiedichte, hohe Leistung, nur drei Anbieter ungeeignet für Elektrofahrzeuge Wunder -Kondensatoren sind angekündigt (basierend auf Barium- Titanat mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante, EESTORE) Technologie und Ökonomie in Bezug auf Elektrofahrzeuge unklar Doppelschichtkondensatoren Folie 5 Aktuell verfügbare Speichertechnologien - NiMH NiMH für alle aktuellen Hybridfahrzeuge am Markt technisch ausgereift, sicher gute Lebensdauer im teilzyklischen Betrieb Ausbau der Kapazitäten in Japan bis 2012 steigender Absatz erwartet geringes Potential für Kostensenkung und Erhöhung der Energiedichte Keine nachhaltige Option für PHEV und EV Quelle: Toyota Quelle: Cobasys Folie 6

4 Aktuell verfügbare Speichertechnologien - Hochtemperatur ZEBRA-Batterie (NaNiCl) in vielen Elektrotraktionsanwendungen (aktuell meist verkaufte Batterie für Elektrofahrzeuge) Kosten um 500 /kwh im System Produktionskapazitäten bei nur einem Hersteller sehr klein Betriebstemperatur 300 C, thermische Verluste ca. 100 W nicht optimal für Privatkunden wg. thermischen Verlusten, kein ernstes Problem im Flotteneinsatz Quelle: NGK, MES-DEA Folie 7 Aktuell verfügbare Speichertechnologien Lithium-Ionen Lithium-Ionen im Einsatz bei Hybridfahrzeugen erst ab 2009 Großer Markt im Bereich tragbare Geräte, PowerTools, Elektrofahrzeuge, Gartengeräte, etc. Thermisches Management Batteriemanagement Batterie Quelle: Daimler Prinzipbild: Conti Temic Quelle: Saft Folie 8

5 Das Lithium-Ionen System (Interkalationelektroden, Rocking Chair -Prinzip) Entladung Sauerstoff LiMO 2 R e - e - Graphit Li + LiC 6 Metall-Ion Graphit Separator Li + Li + Graphik: Saft POSITIVE Elektrolyt & Separator NEGATIVE Aktuelle Hauptentwicklungslinien bei Lithium-Ionen- Batterien Li-Ionen-flüssig Kathodenmaterial Anodenmaterial gute Lebensdauer, Sicherheitsrisiko höchstes Sicherheitsrisiko, gute Performance schlechtere Lebensdauer, Sicherheit besser als Co & Ni populäres Mischmaterial mit Optimierung der Eigenschaften große Variabilität in Mischmaterialien 3,3 V Material, günstiges & sicheres Ausgangsmaterial LiCoO 2 LiNiO 2 LiMn 2 O 4 LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 LiCo x Ni y Mn z O 2 LiFePO 4 Hard Carbon LiC 6 Graphit LiC 6 Titanat Li 4 Ti 5 O 12 Silizium Li 22 Si 6 3,7 V Material, geringe Vollzyklenzahl 3,7 V Material, teuer, hohe Vollzyklenzahl (EV) 2,2 V Material, sicher, geringere Energiedichte 3,7 V Material, hohe Energiedichte, in der Forschung Folie 10

6 Aktuelle Hauptentwicklungslinien bei Lithium-Ionen- Batterien Li-Ionen-flüssig Separatoren Elektrolyte Generell: teuerste Teilkomponente in Li-Ionen-Zellen Mehrlagiger Separator mit Schmelzlage ( hochohmig im Fehlerfall) keramischer Separator verhindert Kurzschlüsse bei Überhitzung Standard LiMn 2 O 4 Shut-Down Separion Standard LIBOB Polymere Elektrolyte: EC, PC, DMC, DEC, EMC Leitsalze: LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiN(CF 3 SO 2 ) 2 Additive Höhere Sicherheit sicher, geringe Leitfähigkeit bei Raumtemperatur Elektrolyte und Bindermaterialien gelten als zentrale Komponenten in Bezug auf Tieftemperaturverhalten und Lebensdauer. Folie 11 Aktuelle Hauptentwicklungslinien bei Lithium-Ionen- Batterien Höhere Energiedichten möglich über 5-Volt -Kathodenmaterial, z.b. LiCoPO 4, LiNiPO 4 Vorteil: hohes Potential, hohe Sicherheit Nachteil: Kosten von Co-Material, Zyklenlebensdauer noch nicht gezeigt Silizium-Anodenmaterial (LiSi 5 ) Vorteil: theo. 11x höhere Energiedichte der Anode verglichen mit Graphit Nachteil: hoher Volumenausdehnungskoeffizient, Lebensdauer ungelöst Quelle: Stanford University Silicon Nano Wires Energiedichten um 300 Wh/kg erscheinen möglich Folie 12

7 Aktuelle Hauptentwicklungslinien bei Lithium-Ionen- Batterien LiFePO 4 sehr wahrscheinlich ein wichtiges Material Energiedichte etwa 10% geringer als Standardmaterialen Intrinsisch sicheres Material Zyklenlebensdauer ist nachgewiesen Kalendarische Lebensdauer mit Fragezeichen Inzwischen eine Reihe von Herstellern Quelle: Valence Folie 13 Entladecharakteristik von Li-Ionen High Power Batterien 4,0 4,1 4,0 3,9 3,8 3,7 Saft high power cell Saft high power cell Zellspannung (V) 3,5 V oltage (V) 3,0 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3,0 2,9 2,8 2,5 2,7 2,6 2, Kapazität Capacity (Ah) (Ah) 1/3 C ½C 1C=15A 2C 3.33C 10C 19C D/3 D/2 1 D = 15 A 2D 50A 150A 285A Folie 14

8 Elektrische Leistungsfähigkeit (Zellen) Hochenergie Hochleistung Leistungsdichte (25 C) W/kg W/kg Energiedichte Wh/kg Wh/kg Wirkungsgrad ~ 95% ~ 90% Selbstentladung < 5%/Monat (25 C) < 5%/Monat (25 C) Lebensdauer bis 5000 Vollzyklen 10 6 (3,3% DOD) Serienreife einer Zelle muss mindestens drei Jahre vor Markteinführung im Fahrzeug erreicht sein. Folie 15 Alterungseffekte durch Zyklisierung bei NiMH-Batterien Gitterausdehnung während der Wasserstoffeinlagerung führt zu mechanischem Streß und damit zur Zerstörung der Metalllegierungskristalle Volumenausdehnung: LaNi LaNi 5 5H6 ca. 20% Wasserstoffabsorption Folie 16

9 Lebensdauer als Funktion der Entladetiefe (Beispiel: NiMH, prinzipiell gleich für Lithium-Ionen und Bleibatterien) Ladungsumsatz / Nennzyklen 3% DOD 5% DOD 12% DOD 80% DOD 100% DOD Quelle: Varta / Johnson Control 20 C, % DOD, entspr Zyklen Folie 17 Unterschiedliche Zellkonzepte Rundzelle Viel Erfahrung im Zelldesign Hohe Lebensdauererwartung Kühlung aufwändig Anbieter z.b. Saft, GAIA, A123, Sanyo Coffee bag -Zelle Sehr gute Kühleigenschaften Hohe Energiedichte Dichtigkeit der Folie zentrale Fragestellung Anbieter z.b. Kokam, LiTec (geplant), A123 (Prototypen) Folie 18

10 Gravimetrische Leistungsdichte vs. Energiedichte (Leistungs- und Energiedichten spezifischer Produkte aus Datenblättern und eigenen Messungen) Spezifische Leistung in W/kg (Zellebene) 100,000 10,000 1, SuperCap Blei spiral wound Blei Saft VHP 6 Ah NiCd Li-Ion Very High Power NiMH NaNiCl 2 Zebra GAIA LiFePO 4 LiTeC HP 6 Ah Li-Ion High Power GAIA HE 60 Ah LiM-Polymer GS Yuasa LEV 50 A123 Saft VL M Kokam Coffee Bag Li-Ion High Energy E- One Moli Quelle Ragone Plot: Saft Spezifische Energie in Wh/kg (Zellebene) Folie 19 Kosten von Li-Ionen-Batterien heute Hochenergiebatterien bei ca Euro / kwh (Kleinserie), aber Preisangaben sehr schwierig, da kein echter Markt existiert Einschätzung bzw. Marktforderung der erreichbaren Kosten bei Massenproduktion: 500 /kwh für Hochleistungsbatterien 300 /kwh für Hochenergiebatterien (Schätzung aus Japan liegen bei 160 /kwh) Warum? Kokam liefert heute bei großen Stückzahlen heute für < 500 /kwh (HE) Hochenergiebatterien aus China heute schon für 300 /kwh erhältlich (Markt für Elektrofahrräder), Qualität fraglich Laptop-Batterien heute bei 220 /kwh, Kostenreduktion etwa Faktor 5 Folie 20

11 Kostenentwicklung Konsumerzellen der Bauart (Standard-Zelle z.b. in Akkus von Laptops) spez. Energie in Wh/kg, Energiedichte in Wh/l Energiedichte spezifische Energie spezifische Kosten Kosten in US$ / Wh 0 Source: Institute of Information Technology, AABC 2004, San Francisco Folie 21 Warum sind langreichweitige reine Elektrofahrzeuge wirtschaftlich schwierig darzustellen? Größe der Batterie für 200 km elektrische Reichweite: ca. 30 kwh (sehr sparende Stadtfahrzeuge ggf. 20 kwh, große Fahrzeuge eher 40 kwh) Kosten der Batterie (nur Einkauf Batteriesystem durch Automobilhersteller): ca. 30 x 300 = Mehr als Produktionskosten eines Mittelklassefahrzeugs Gewicht bei 100 Wh/kg 300 kg Batterie ist nach 10 bis 15 Jahren kaputt, auch wenn sie nicht genutzt wird. Bei mittlerer Nutzung von 37 km/tag stehen sich 80% der Batterie im Wesentlichen kaputt. Speicher für 50 km Reichweite ermöglichen Abdeckung von mehr als 63% der Fahrleistung in Deutschland Plug-in Hybride mit 5 10 kwh Speicher Folie 22

12 Wichtige Kostenreduktionspotentiale Kostenverteilung nach heutiger Abschätzung für : 1/3 Materialien / 1/3 Produktion und Gehäuse / 1/3 allgemeiner Overhead Reduktionspotentiale bei Kathodenmaterial ca. 42% der Materialkosten Anodenmaterial ca. 11% der Materialkosten Elektrolyt ca. 13% der Materialkosten Separator ca. 21% der Materialkosten Ableiterfolien ca. 13% der Materialkosten Fertigungskosten heute ca. 22% der Gesamtkosten Overhead geht proportional mit runter Folie 23 Kooperationen rund um die Welt (unvollständig) Batteriehersteller A123 Systems (FePO 4 ) AESC BYD Enax (NMC-Material) GS Yuasa Hitachi JCI-Saft Kokam (NMC) LG Chem LiTec (NMC) PEVE Samsung Sanyo Weitere Batteriehersteller: Enerdel, Gaia (NMC, FePO4), Lishen, Matsushita (Japan), Optimum battery Co. LTD in China (nur LiFePO4), Sk Corp., Valence Automobilhersteller und Zulieferer Busse, GM, Think (Norwegen) Nissan, Subaru (EV) BYD (EV) (China, Continental Honda, Mitsubishi (EV) vor allem LKW, GM Daimler, BMW, GM Ausgaben für F&E an Lithium-Ionen-Systemenweltweit in 2005 bereits bei 500 Mill. US$, seid dem deutlich gestiegen! diverse Kontakte zu verschiedenen OEMs Hyundai, GM Entwicklungsprojekte mit Bosch und Behr (getrennte Projekte) Existierendes Geschäft mit Lithium-Ionen-Batterien mit mehr als 8 Milliarden US$ Umsatz/Jahr trägt Entwicklung ganz erheblich! Toyota Ford, VW, Bosch Honda, Ford, VW / Audi Neue, ertragreiche Nischenmärkte führen ebenso zu einem nachhaltigen Wachstum des Marktes und der Anbieter. Folie 24

13 Aktuelle Hauptentwicklungslinien bei Lithium-Ionen- Batterien Maximierung der Sicherheit und Zuverlässigkeit Reduktion der Kosten durch Materialsauswahl und Economcy of scale Übertragung von Lebensdauerergebenissen aus dem Labor ins Feld Erhöhung des nutzbaren Kapazitätsbereichs bei hoher Lebensdauer Optimierung der Systemtechnik (insb. Kosten) Erhöhung der Energiedichte Im Vordergrund stehen die Konsolidierung der Technologie und die Überführung in Massenproduktion. Die Erhöhung der Energiedichte verbessert die Markteintrittschancen nur geringfügig. Folie 25 Thermal Runaway bei Li-Zellen - AA-Zellen im Ofen aufgeheizt mit 2,2 K/min LiFePO 4 ohne Thermal Runaway Differenz Zelltemp. und Ofentemp. [K] LiNiO 2 LiCoO 2 LiMn 2 O 4 Ofentemperatur [ C] Folie 26

14 Materialgehalt von LiCoO 2 -Zellen Anode: Graphit auf Cu-Folie Kathode: Li-Me-Mischoxid auf Al-Folie Quelle: IME / RWTH Aachen Co (59 u) Ni (59 u) Mn (55 u) Fe (56 u) Li (als Li 2 CO 3 ) (7u) Metallpreise (LME) ~ 95 US$/kg ~ 20 US$/kg ~ 3 US$/kg ~ 0,7 US$/kg ~ 43 US$/kg Gehäuse Elektrolyt Cu-Folie Al-Folie Materialgehalte in Massen-% (Consumerzellen) ~ 25 ~ 20 LiCoO 2 ~ 20 Graphit Separator ~ 15 ~ 9 ~ 5 ~ 5 Folie 27 Lithium-Verfügbarkeit Lithium nicht unbegrenzt verfügbar Wirtschaftliche Verfügbarkeit ca. 6 Mill. Tonnen Lithium Reserven gut doppelt so viel Bedarf bei 3,6 V-Technologie ca. 1 g Li für 4-5 Wh (konservativ) 24 Milliarden kwh Batteriekapazität z.b. 2,4 Milliarden PHEV mit 10 kwh Aktuelle Produktion bei ca Tonnen 8 Millionen PHEV mit 10 kwh Steigerung der Produktion schwierig, muss aber mittelfristig geplant werden Vollständiges Recycling von Beginn an erforderlich Reserven stark konzentriert in Südamerika (75%) hohe Abhängigkeit Folie 28

15 Intensive Diskussion über Infrastrukturfragen Wechselbatteriekonzepte mit standardisierten Batteriepacks (und Fahrzeugen?) Schnellladestationen für Reichenweitenverlängerung? Ladegeräte (3 oder 5 kw) im Fahrzeug oder stationär? Lademöglichkeiten auch an Parkplätzen, öffentlichen Plätzen, etc.? Quelle: Project Better Place Antworten vielfach interessengetrieben Quelle: NEC/AESC Folie 29 Metall-Luft-Batterien Einzige theoretisch realistische Batterieoption für Energiedichten > 1000 Wh/kg Aber, als wiederaufladbare Batterie mit > 1000 Wh/kg innerhalb von 10 Jahren sehr unwahrscheinlich Aber: Interessant möglicherweise als Austauschbatterien mit externer Regeneration an Tankstellen (siehe auch Project Better Place ) verändertes Konzept mit Auswirkungen auf Fahrzeugsdesign und Nutzerverhalten Folie 30

16 Batterietechnologien mit sehr hohen Energiedichten - Theoretische Energiedichten von Metall-Luft-Batterien theo. Energiedichte [Wh/kg] Eisen-Luft Zink-Luft Natrium-Luft Calcium-Luft Magnesium-Luft Titan-Luft Aluminium-Luft Lithium-Luft Beryllium-Luft Folie 31 Gibt es langfristig eine Alternative zur Elektromobilität? Annahme: Öl-Reserven sind endlich & Emission von CO 2 muss dramatisch reduziert werden Strombedarf für alle PKW in D als Elektrofahrzeuge: ca. 100 TWh (derzeitiger Gesamtstromverbrauch in D ca. 600 TWh) Strombedarf bei Verwendung von CO 2 -freiem Wasserstoff für alle PKW in D: ca. 300 TWh Ertrag bei Treibstoff aus Biomasse durch BTL etwa km / ha / Jahr Ertrag aus Photovoltaik in Deutschland etwa km / ha / Jahr Mittelfristige Lösung für PKW-Verkehr mit großer Reichweite: Plug-in Hybrid (elektrische Reichweite km mit Brennstoffzelle) Endenergie PKW insgesamt: 2/3 elektrische Energie, 1/3 Wasserstoff Folie 32

17 Kumulierte Fahrleistung als Funktion der Wegstrecke in % kumulierte Gesamtfahrleistung 100,0% 90,0% 80,0% 70,0% 60,0% 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 0,0% 0 Günstigstes Verhältnis Batteriekosten zu Kraftstoffsubstitution 63% Kraftstoffsubstitution weitere 17% Kraftstoffsubstitution Basisdaten: Mobilität in Deutschland maximale Weglänge in km Folie 33 Zusammenfassung In den kommenden 5 Jahren NiMH für Hybridfahrzeuge noch zunehmend, serienreife ist nachgewiesen Lithium-Ionen-Batterietechnologie ist aus technischer Sicht für den Markteinstieg verfügbar. Vielfalt der Materialien führt zu hoher Entwicklungsdynamik und kontinuierlichen Verbesserungen Lithium-Ionen-Technologie ist die wahrscheinliche Technologie für alle PHEVs und EVs in den kommenden 10 Jahren. Gefahr: Es gibt aktuell keine echte Rückfalltechnologie Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kosten sind die Hauptentwicklungsziele Preise werden nur durch Massenproduktion sinken, nicht durch warten Reine EVs mit Reichweiten größer 150 km kaum denkbar PHEV mit 20 km elektrische Reichweite mit Low-Cost-Speichern denkbar Folie 34

18 Aktuelle Entwicklungen zu elektrischen Energiespeichern für Antriebssysteme Aachen Dirk Uwe Sauer Juniorprofessur für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) Univ.-Prof. Dr. ir. Rik W. De Doncker RWTH Aachen