Materialentwicklung im Bereich Energiespeicherung - The new Frontier

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Dr. Alfred Siggel Honeywell Specialty Chemical Seelze Alfred.

1 Dr. Alfred Siggel Honeywell Specialty Chemical Seelze Materialentwicklung im Bereich Energiespeicherung - The new Frontier

2 Agenda Firmenprofil Honeywell Technologien im Bereich Elektromobilität Energie Erzeugung Energie Effizienz Energie Speicherung Produkt Portefolio für Superkondensatoren Elektrolyte für niedrige Temperaturen Elektrolyte für höhere Spannung/verlängerte Lebensdauer 5V Hochspannungselektrolyt für Li-Ionen Batterien Potentialabschätzung Testmöglichkeiten Fazit und Ausblick 2

für niedrige Temperaturen Elektrolyte für höhere Spannung/verlängerte Lebensdauer 5V

3 Honeywell International Führung: Dave Cote, Chairman & CEO Hauptsitz: Morristown, New Jersey (USA) Beschäftigte: 130,000 Spezialchemikalien Luftfahrt Automobil Kontrollsysteme $5 B $11 B $4 B $14 B 3

Beschäftigte: 130,000 Spezialchemikalien Luftfahrt

4 Technologien in den Bereichen Energie und Klimaschutz Energie Speicher Energie Effizienz Energie Erzeugung Wireless / Handgeräte Digitalisierung Umweltschutz Elektromobilität Schlüsseltrends CO 2 -Regelungen Kostensenkung Komfort, Gesundheit, Bequemlichkeit Wachsender Energiebedarf CO 2 -Regelungen Zunehmende Bedeutung alternativer Energiequellen Schlüsselprodukte und -technologien Leitsalze (NR 4 BF 4, LiPF 6 ) Supercap Elektrolyte Basismaterialien für Elektrolyte in 5V Li-Ionen Batterien Energieeinspar-Contracting für Gebäude und Anlagen Turbolader Kühlmittel mit niedrigem Treibhauspotenzial für Autoklimaanlagen Raffinerie- und Verfahrenstechnik Erdgas Reinigung Green Biofuels SOLARC Antireflexionsbeschichtungen für PV Aufbau zukunftsfähiger Positionen 4

-technologien Leitsalze (NR 4 BF 4, LiPF 6 ) Supercap Elektrolyte Basismaterialien für Elektrolyte in 5V Li-Ionen Batterien Energieeinspar-Contracting für Gebäude und Anlagen Turbolader

5 Elektromobilität Welche Speichertechnologie? Hybrid EV Micro Mild Moderate Voll Beispiel PSA C3, C4 BMW X Hybrid Civic Prius / Escape Stop/start Bremsenergie Elekt. Anfahren + Elektrisches Fahren Einsparung 5 10% 8 15% 20 40% 30 55% Energiebedarf Häufigkeit Anforderungsprofil unterschiedlich 5

Prius / Escape Stop/start Bremsenergie Elekt.

6 Superkondensator (EDLC) Elektrolyt Leitsalz Elektrochemisch stabil & löslich Organische Lösungsmittel Elektrochemisch stabil & großes Temperaturfenster Elektrode Kohlenstoff Inert, hohe spezifische Oberfläche Physikalischer Speichermechanismus = Millionenfache Aufladung Schnell, leistungsstark, haltbar 6

Elektrode Kohlenstoff Inert, hohe spezifische Oberfläche Physikalischer

Vergleich Superkondensator - Batterie Energiedichte (Wh/kg) 100 50 0 110 8 35 Supercap Lead Acid Battery Li-Ion Battery

7 Vergleich Superkondensator - Batterie Energiedichte (Wh/kg) Supercap Lead Acid Battery Li-Ion Battery Lebensdauer (Ladezyklen) Gesamtenergie durchsatz (10 6 Wh/kg) ,02 0,11 0 7

Lebensdauer (Ladezyklen) 2000000 1500000 1000000 500000 0 500

8 Elektromobilität Welche Speichertechnologie? Hybrid EV Micro Mild Moderat Voll Beispiel PSA C3, C4 BMW X Hybrid Civic Prius / Escape Stop/start Bremsenergie Elekt. Anfahren + Elektrisches Fahren Einsparung 5 10% 8 15% 20 40% 30 55% Supercap Li Batterie Technologie abgestimmt auf die Anwendung 8

9 Anforderungsprofil für Elektrolyte Anforderungen an einen idealen Elektrolyten hohe ionische Leitfähigkeit einsetzbar über einen weiten Temperaturbereich möglichst breites Spannungsfenster vollständig kompatibel mit Elektroden möglichst wenig Nebenreaktionen Gezielte Entwicklung ist nötig und möglich 9

Temperaturbereich möglichst breites Spannungsfenster vollständig kompatibel

10 Anforderungsprofil für Elektrolyte Anforderungen an einen idealen Elektrolyten hohe ionische Leitfähigkeit einsetzbar über einen weiten Temperaturbereich möglichst breites Spannungsfenster vollständig kompatibel mit Elektroden möglichst wenig Nebenreaktionen 10

weiten Temperaturbereich möglichst breites Spannungsfenster

11 Anforderung: weiter Temperaturbereich Situation Sojourner war 1997 das erste Elektromobil auf dem Mars. Ausfall nach 3 Monaten in einer langen, kalten Nacht wegen Einfrieren der Batterien. Gesuchte Lösung Energiespeicher der auf dem Mars mit geringer Eigenheizung überlebt 11

Ausfall nach 3 Monaten in einer langen, kalten Nacht wegen

12 Honeywell R&D Projekt Ultra Low Temp Supercap JPL F bei 25 C 50F bei -95 C Reversibles Einfrieren bei -100 C < 5% Kapazitätsverlust je Einfriervorgang Durchschnittstemperatur auf dem Mars Das hier entwickelte Raumfahrtprodukt. 12

13 Temperature ( C) Honeywell s Produkt für die Erde M TEMA/AN Ref Erster Supercap Elektrolyt der die Spezifikation der Automobilindustrie von -40 C erreicht Artikel C C C time (h) C C Spezifikation TEMABF % Wasser max 30 ppm Dichte g/ml Leitfähigkeit ms/cm (25 C) Operation -50 C ROHS entspricht führte zu unseren Cold-Weather Starting Electrolyte 13

Artikel 15550-50 -60-70 -48.8 C -57.2 C -65.1 C 0 5 10 15 time (h) -55.4 C -56.3 C Spezifikation TEMABF 4 37.

14 Anforderung: Stabilität Situation Je höher die Betriebsspannung je mehr Gas entsteht durch unerwünschte Nebenreaktionen. Am Lebensende darf die Druckfestigkeit des Gehäuses nicht überschritten werden. Die Druckentwicklung begrenzt die Betriebsspannung und den Energiegehalt (E ~ U 2 ). Gesuchte Lösung Erhöhung der spezifischen Energie durch einen stabileren Elektrolyten Drucksensor Supercap 14

Am Lebensende darf die Druckfestigkeit des Gehäuses nicht überschritten werden.

15 Stabilität wo beginnt man? 700 Average bonding energy in kj/mol at 298 K Cl F S O P N Si C B C B Si N P O S F Cl Hohe Bindungsenergie verspricht hohe elektrochemische Stabilität 15

500 400 300 200 100 0 Cl F S O P N Si C B C B Si N

16 700 Stabilität wo beginnt man? Average bonding energy in kj/mol at 298 K > 250kJ/mol Cl F S O P N Si C B C B Si N P O S F Cl Hohe Bindungsenergie verspricht hohe elektrochemische Stabilität 16

600 500 400 300 200 100 0 Cl F S O P N Si C B C B Si N

17 700 Stabilität wo beginnt man? Average bonding energy in kj/mol at 298 K > 350kJ/mol Cl F S O P N Si C B C B Si N P O S F Cl Hohe Bindungsenergie verspricht hohe elektrochemische Stabilität 17

18 700 Stabilität wo beginnt man? Average bonding energy in kj/mol at 298 K > 450kJ/mol P-F Si-F C-F B-F B-O B-N Cl F S O P N Si C B C B Si N P O S F Cl F-Bindungen versprechen höchste elektrochemische Stabilität 18

500 P-F Si-F C-F B-F B-O B-N 400 300 200 100 0 Cl F S O P N

19 Honeywell R&D Projekt Standard Elektrochemische Nebenreaktion im Standardelektrolyt 19

20 Honeywell R&D Projekt Standard Antigas Elektrolyt Verringerte Gasentwicklung, stabilerer Betrieb mit Antigas 20

21 Honeywell s Produkt Druckanstieg (mbar/hr) 15 bar Limit bei 2,7V Extrapolation 6.38 mbar/hr Standard 6.38 ± h 2,7V Antigas Elektolyt 2.57 ± h 3,0V Verbesserung 2,5-fache Lebensdauer +22% Energie Artikel 15555, der erste Antigas Elektrolyt, ermöglicht die Erhöhung der Lebensdauer von Superkondensatoren (bei gleicher Spannung) die Erhöhung der spezifischen Energie (bei höherer Spannung) die Anpassung von Lebensdauer /Energie an den Bedarfsfall 21

22 Technologien in den Bereichen Energie und Klimaschutz Energie Speicher Energie Effizienz Energie Erzeugung Wireless / Handgeräte Digitalisierung Umweltschutz Elektromobilität Schlüsseltrends CO 2 -Regelungen Kostensenkung Komfort, Gesundheit, Bequemlichkeit Wachsender Energiebedarf CO 2 -Regelungen Zunehmende Bedeutung alternativer Energiequellen Schlüsselprodukte und -technologien Leitsalze (NR 4 BF 4, LiPF 6 ) Supercap Elektrolyte Basismaterialien für Elektrolyte in 5V Li-Ionen Batterien Energieeinspar-Contracting für Gebäude und Anlagen Turbolader Kühlmittel mit niedrigem Treibhauspotenzial für Autoklimaanlagen Raffinerie- und Verfahrenstechnik Erdgas Reinigung Green Biofuels SOLARC Antireflexionsbeschichtungen für PV 5V Li-Ionen Elektrolyt 22

High Energy 5V Li-Ionen Batterien Situation An vielen Stellen der Welt wird an der Entwicklung von aktiven Komponenten mit höheren Kapazitäten

23 High Energy 5V Li-Ionen Batterien Situation An vielen Stellen der Welt wird an der Entwicklung von aktiven Komponenten mit höheren Kapazitäten gearbeitet. Gesuchte Lösung Elektrolyte, die kompatibel mit den neuen Materialien sind. Elektrolytentwicklung zur Unterstützung eines 5V Systems begonnen 23

24 Specifische Energie [%] Potential von High Energy Li-ion Batterien % +14.6% +11,6% +11,1% +22,2% +15.0%

25 Specifische Energie [%] Potential von High Energy Li-ion Batterien +40% % +14.6% +11,6% +11,1% +22,2% +15.0%

Specifische Energie [%] Potential von High Energy Li-ion Batterien +36,4% 140 120 +12.8% +14.

26 Specifische Energie [%] Potential von High Energy Li-ion Batterien +36,4% % +14.6% +11,6% +11,1% +22,2% +15.0% +40% Verbesserte Kathode/Elektrolyt = Längerer Hebel 26

27 Testmöglichkeiten Batterietester 132 Kanäle (2012: +96) 7 Klimakammern Real-time Druckmessung, Gasanalyse Elektrodenfertigung (Kathode/Anode) LiPF6 Herstellung in-house Elektrolytformulierung 27

28 Fazit und Ausblick We stand today at the edge of a New Frontier the frontier of unknown opportunities beyond are uncharted areas of science, unsolved problems.. and unanswered questions John F. Kennedy, 1960 Honeywell hat einige dieser Probleme gelöst und bietet passende Elektrolyte für Hybridfahrzeugen mit Superkondensatoren Als integrierter Hersteller der Leitsalze und der Elektrolyte können wir deutliche Verbesserungen bei Einsatztemperatur, Lebensdauer und Energie erreichen Opportunity Höhere Stabilität erlaubt 5V Li-Ionen Batterien mit höherem Energiegehalt und damit Elektromobile mit größerer Reichweite Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Alfred Siggel, Honeywell Specialty Chemical Seelze, Alfred.Siggel@ 28

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