Innovative Batterietechnik für Flurförderzeuge Stand der Technik und Ausblick auf zukünftige Technologien

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2 Stand der Technik und Ausblick auf zukünftige Technologien Dr.-Ing. Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

3 Übersicht Warum eine neue Batterietechnik? - Vergleich mit Blei-Säure - Prognosen über technische und ökonomische Entwicklungspotenziale Aktueller Stand der Li-Ionen-Technik In welche Richtung kann sich die Li-Ionen-Technologie weiterentwickeln? - Wo liegen die aktuellen technischen Hürden? Alternativen zur Blei-Säure- bzw. Li-Ionen-Technik - Ni-Zn-Batterien - Blick über den Tellerrand: Vergleich mit Brennstoffzellen und SuperCaps Potenzial der Li-Ionen-Technik in Flurförderzeugen - Erkenntnisse aus der Praxis 3 Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

5 Stand der Technik - Vergleich Blei-Säure- und Li-Ionen-Batterie Vergleich Blei-Säure- und Li-Ionen-Batterie Weltweiter Umsatz mit Sekundärbatterien Blei-Säure Li-Ionen Spezifische Energie [Wh/kg] Entladestrom [C] 0, Ladezeit mäßig sehr schnell Entladetiefe [%] < 60 > 90 Selbstentladung [%/Monat] < 1 Wirkungsgrad [%] < 82 > 98 zyklische Lebensdauer 1200 > 2500 kalendarische Lebensdauer [a] 5 10 Aufwand für die Sicherheit wenig viel Aufwand für Wartung viel wenig Kosten Energiespeicherung [ct/wh] Quellen: AVICENNE ENERGY Analyses 2015; S. Bauer, Akkuwelt, Vogel Business Media, 13ff, Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

6 Prognose zur Preisentwicklung und Fortschritt der Li-Ionen-Technik Anschaffungskosten für Li-Ionen-Batterien (Zellen) Technische Fortschritt der Li-Ionen-Batterien Weitere Senkung der Materialkosten z.b. durch Substitution des Cobalt Quelle: S. Bauer, Akkuwelt, Vogel Business Media, 31ff, 2017 Prognose von Winter/Hörpel, Westfälische Universität Münster: 2020 wird eine Energiedichte von 300 Wh/kg erreicht sein, danach wäre ein signifikanter Technologiesprung notwendig. 6 Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

8 Klassifizierung und Aufbau von sekundären Li-Ionen-Batterien (LIB) Klassifizierung Schematischer Aufbau einer LIB-Zelle LIB Quelle: D. Bresser, E. Paillard, S. Passerini, Lithium-ion batteries (LIBs) for medium- and large-scale energy storage: current cell materials and components 8 Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

9 Aktuelle Kathoden- und Anodenmaterialien in Li-Ionen-Batterien LCO LNO LNCA LNMC LMO LFP LTO Bezeichnung Lithiumcobaltdioxid Lithiumnickeldioxid Lithiumnickelcobaltaluminiumdioxid Lithiumnickelmangancobaltdioxid Lithiummanganoxid Lithiumeisenphosphat Lithiumtitanat Kathode LiCoO 2 LiNiO 2 Li(Ni 0,85 Co 0,1 Al 0,05 )O 2 Li(Ni 0,33 Mn 0,33 Co 0,33 )O 2 LiMn 2 O 4 Spinell LiFePO 4 Olivine LMO, LNCA Anode Graphit Graphit Graphit Graphit Graphit Graphit Li 4 Ti 5 O 12 Zellspannung [1] 3,7-3,9 V 3,6 V 3,65 V 3,8-4,0 V 3,8-4,0 V 3,3 V 2,3-2,5 V Spezifische Energie <180 Wh/kg [3] <150 Wh/kg Wh/kg [3] Wh/kg [3] Wh/kg Wh/kg 85 Wh/kg Sicherheit [2] - o - o Lebensdauer [2] - o Zellkosten* 170 /kwh [3] 210 /kwh [3] 200 /kwh [3] 230 /kwh [3] 450 /kwh [3] Zykluskosten* 0,35 /kwh [3] 0,20 /kwh [3] 0,20 /kwh [3] 0,15 /kwh [3] 0,10 /kwh [3] LNCA : Weitverbreiteter Einsatz (z.b. Tesla), hohe Energiedichte & Lebensdauer LNMC : Heutiger Standard, gute Sicherheit, oft in Mischung mit LMO wegen therm. Stabilität LFP : Hochstromzelle (10-50C); LTO : Hohe Sicherheit & Lebensdauer, niedrige Zellspannung Quellen: [1] Strukturstudie BW e mobil 2015 Elektromobilität in Baden-Württemberg, [2] Nitta, Wu et al Li-ion battery materials, [3] Mähliß, 10th Battery Experts Forum, AB, 2016, * Preis Q4/2014 (Herstellkosten) 9 Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

10 Eigenschaften der aktuelle Kathodenmaterialien in Li-Ionen-Batterien Entladekennlinien Eigenschaften Li(Ni x Mn y Co z )O 2 -Mischoxide Quellen: Nitta, Wu et al Li-ion battery materials; 10 Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

12 Derzeitige Elektrodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien = E / m = U Q / m [Wh kg -1 ] Aktueller Stand der Technik: Heute werden hautsächlich 4V-Kathodenmaterialien in Kombination mit Graphit- Anoden eingesetzt. Die Energiedichte wird derzeit hauptsächlich durch das Kathodenmaterial begrenzt. Quelle: P. Bieker, M. Winter, Chem. Unserer Zeit, 2016, 50, Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

13 Zukünftige Elektrodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien In naher Zukunft: - Hochkapazitive Anoden auf Systemebene max. 25% mehr spez. Energie - Hochvoltkathoden auf Systemebene max. 20% mehr spez. Energie - Hochvoltstabile Elektrolyte In ferner Zukunft: - Problem nur lösbar durch hochkapazitive Kathoden, wie z.b. Li-Luft oder Li-Schwefel kein Vorteil gegen über Li-Ionen bzgl. Volumen Quellen: P. Bieker, M. Winter, Chem. Unserer Zeit, 2016, 50, ; A. Jossen, TUM, E-Motion-Days, Innsbruck Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

14 Aktuelle technologische Hürden der Li-Ionen-Technik Technologische Ansätze: Problematik: Auswirkung: Aktuelle Lösung bzw. Forschung: Hochkapazitive Anoden (z.b. Silizium) Starke Volumenänderung, mechanische Beanspruchung Kurze Lebensdauer durch Verbrauch von Li + /Elektrolyt z.zt. Nanomaterialien oder Komposit-Anoden 5-Volt-Kathoden (z.b. LMNC, LNMO, LCPO) Elektrolytzersetzung durch Oxidation Kurze Lebensdauer durch Verlust an Elektrolyt hochvoltstabile Elektrolyte oder z.zt. Titanat-Anoden Hochkapazitive Kathoden (Li-Ionen-Systeme) Keine den Anoden vergleichbare Materialien in Aussicht Begrenzte Energiedichte (Flaschenhals) Li-Schwefel (Li-Metall-Systeme) Zahlreiche, wie z.b. Stabilität, schlechte Leitfähigkeit, hohe Selbstentladung, z.zt. noch keine praxisrelevante Lösung in Aussicht Li-Luftsauerstoff (Li-Metall-Systeme) Zahlreiche, z.b.: Gasdiffusionselektrode, Elektrolytstabilität, aufwendige Luftreinigung, Li-Metall reagiert mit Stickstoff, 14 Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

16 NiZn-Batterien als Alternative zu Blei-Säure-Batterien Parameter: Spezifische Energie : >70 Wh/kg Vol. Energiedichte : 280 Wh/L Spezifische Leistung : >2000 W/kg Zellspannung : 1,65 V Anzahl der Zyklen : 800 Vorteile: - Spez. Energie 2x höher als Pb-Säure - Niedrige Impedanz (50C Entladen) - Flache Entladecharakteristik - Sehr gute Schnellladefähigkeit - Wartungsfrei - Großer Temperaturbereich - Bis zu 50% billiger als Li-Ionen - Keine / einfache Elektronik (BMS) Specific Energy Nachteile: - Hohe Selbstendladungsrate - Dentritenwachstum auf der Zn-Elektrode Quelle: Ricardo Consulting, AABC 16 Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

17 Blick über den Tellerrand: Vergleich Li-Ion vs. Super Cap vs. FCH LIB Super Cap Brennstoffzelle Hohe grav. Energiedichte Hohe spez. Leistung Teuer Effizienz 98% Sehr niedrige Energiedichte Sehr hohe spez. Leistung Sehr teuer Effizienz < 50% Sehr hohe Energiedichte Geringe spez. Leistung Pufferung notw. Sehr teuer (H 2 : 7-9 /kg)* Effizienz ausgehend von H 2 < 60% Ragone-Diagramm Quelle: Ahlberg Tidblad, Berg, Edström, Johansson, Matic (Swedish Electric & Hybrid Vehicle Centre) 2015 Batteries present and future challenges Langsames Laden Schnelles Laden, Limitierung durch Infrastruktur Schnelles Tanken * H 2 Energieinhalt: 33,3 kwh / kg 17 Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

19 Mögliche Arbeits- und Ladestrategien IC-Truck E-Truck (Blei-Säure) 3-Schicht *1 E-Truck 1-Schicht E-Truck (Li-Ion) 2-Schicht E-Truck (Li-Ion) 3-Schicht 1. Schicht 2. Schicht 3. Schicht 1. Schicht 2. Schicht 3. Schicht Batteriewechsel Tanken Laden *1 : Zeitpunkt ist abhängig von der Batteriekapazität. 19 Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

20 Prozessintegriertes Laden (PIC) im 3-Schichtbetrieb Betriebsdauer : < 18 h / d Ladezeiten : min Li-Ionen-Batterie: 13 kwh, 48V Ladegerät: 18 kw Fahrzeug: Linde BR386 Pausenzeit [h] Ladezeit [h] SOC Ladequote 1,5 1,25 1 0,75 0,5 0,25 100% 80% 60% 40% 20% Eine Li-Ionen-Batterie kann vier Blei-Säure-Batterien ersetzen! 0 0% Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

21 Diskussion Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 21 Joachim Hirth hypermotion / Logistics Digital Conference Frankfurt a.m. /

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