Wir schaffen Wissen heute für morgen

Transkript

1 Wir schaffen Wissen heute für morgen Paul Scherrer Institut Prof. Dr. Petr Novák Aktuelle und zukünftige Batterien: Realität vs. Wunschdenken

2 Bild: David Horsey, Internet Energiespeicherung ist eine gut bekannte Technologie... Amerika ist die freieste Nation der Welt! gewissermassen... Seite 2

3 Warum Energiespeicherung? Energie wird nur umgewandelt sie geht nie verloren Energiespeicherung verfolgt verschiedene Ziele: Elektromobilität Lagerung über lange Zeit Glättung von Verbrauchsspitzen Erhöhung der Stromnetz-Stabilität... Seite 3

4 Energie und Leistung typischer Energiespeicher Typ max. Energie / MJ max. Leistung / MW Superkondensatoren Batterien 200' Schwungräder 20' komprimierte Luft 10'000' Thermisch > 1'000' Stausee 1'000'000' Supraleiter 1'000'000? 1000? magnetische Energie (Schätzung) Quelle: A. Wokaun, PSI Mit 1 MJ kann man 3 Liter Wasser von 20 auf C erwärmen Mit 1 MW geschieht dies in 1 Sekunde! Seite 4

5 Batterien für die Elektromobilität Seite 5

6 Leistungsdichte W/kg Beschleunigung Ragone-Diagramm Schwungräder Superkondensatoren Methanol Benzin Batterien H 2 -Brennstoffzelle Reichweite Energiedichte Wh/kg Quelle: J. Tester, Sustainable Energy, p. 657 Seite 6

7 Unterschiedliche Anforderungen Betriebstemperatur: C Lebensdauer: Jahre Anzahl Zyklen: 3'000 7'000 div. Zyklen Lade-/Entladerate: 1 10 C Betriebstemperatur: C Lebensdauer: 3 5 Jahre Anzahl Zyklen: 500 1'000 Tiefentladungen Lade-/Entladerate: C Betriebstemperatur: C Lebensdauer: Jahre Anzahl Zyklen: 10'000 15'000 flache Zyklen Lade-/Entladerate: C Seite 7

8 Gegensätzliche Anforderungen Seite 8

9 Gegensätzliche Anforderungen Seite 9

10 Entwicklungsstadien der Energiespeicher Seite 10

11 Elektrochemische Energiespeicherung in Batterien Turm von Babel Faraday-Gesetz Ladung = konst x Masse Molekulargewicht Energiedichte Energiedichte = Spannung x Ladung Seite 11

12 Theoretische und praktische Energiedichte Praktische spezifische Energie log(wh/kg) Li-SOCl 2 Mg-AgCl Zn-MnO 2 Ni-H 2 Ni-Zn Pb-PbO 2 Li-CF x Zn-Luft Li-H O 2 2 Li-Cl 2 Na-S Li-Luft Al-Luft Die Daumenregel: Theoretische Werte durch 4 dividieren log(wh/kg) Theoretische spezifische Energie Seite 12

13 Elektrochemische Energiespeicherung in Batterien Seite 13

14 Einige wichtige Batteriesysteme Seite 14

15 Bisher bestes System: Die Lithiumionen-Batterie 4-5 V LiCoO 2 Li(Ni,Mn,Co)O 2 LiMn 2 O 4 LiFePO 4 Graphit harter Kohlenstoff Graphit + Si, Sn, Seite 15

16 «Batteriegesetz»: Die Zelle Seite 16

17 Komponenten einer Batteriezelle Leitfähigkeits -Kohlenstoff Elektrolyt Binder Separator Aktivmaterial Stromsammler Kathode LiCoO 2 LiPF 6 EC:DMC Anode Graphit Seite 17

18 Batterien sind komplexe Systeme Chemie Seite 18

19 Aktive Materialien 2./3. Generation C LiMO 2 LiC Li 0.5 MO 2 4. Generation 2 Li + y (S,O) Li 2 (S,O) y 5. Generation? 2 LiF 2 Li + F 2 U [V] U [V] LiMO 2 / Li 0.5 MO 2 S n / S 2- n Li / Li O 2 / O mah/g 1170 mah/g 1170 mah/g Li / Li mah/g F 2 / 2 F - U [V] Li / Li + 0 Seite 19

20 Die Herausforderungen Umwelt: XHg, XCd,... ; Recycling Kosten: kostengünstige Rohmaterialien kostengünstige Technologie Sicherheit: Sicherheitssysteme abgeschaltet! Seite 20

21 Herausforderungen der Batterieforschung System Material (Elektro)-Chemie Seite 21

22 Spannung / Volt Zukunft: Die Lithium-Luft Batterie??? 2 Li 2 Li e - O e - O Li + O 2 Li 2 O 2 Li 2 O 2 Katalysator Kohlenstoff Laden Lithium- Anode (-ze) Elektrolyt Poröse Komposit-Kathode (+ze) Entladen Ladung / mah pro g Kohlenstoff T. Ogasawara, A. Débart, M. Holzapfel, P. Novák, and P. G. Bruce, J. Am. Chem. Soc (128), p Seite 22

23 Die realistischere Zukunft Seite 23

24 Die realistischere Zukunft: Die Kosten Seite 24

25 Verdankungen BASF SE, Ludwigshafen, Deutschland Imerys SA, Bodio, Schweiz Schweizerischer Nationalfonds meiner Gruppe und vielen früheren Kolleginnen und Kollegen Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 25