Wie können Batterien günstiger hergestellt werden? Ergebnisse des Forscherteams Mobilität des 2 Campus 2013

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1 Wie können Batterien günstiger hergestellt werden? Ergebnisse des Forscherteams Mobilität des 2 Campus 2013

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Forschungsfrage und Autor/innen 3. Methode(n) 4. Durchführung 5. Auswertung 6. Fazit 7. Anwendung WWF

3 1. Einleitung: der Zusammenhang zwischen Klimawandel und Mobilität Ziel: maximal 2 Celsius Erderwärmung Um das zu erreichen, müssen die Treibhausgasemissionen in Deutschland im Bereich Mobilität um % reduziert werden Eine der Lösungen: Elektrifizierung des Verkehrs, Umstieg auf Elektroautos, die mit 100% erneuerbarer Energie fahren Problem: Umstieg auf Elektroautos scheitert bisher an geringer Reichweite, hohen Anschaffungskosten und der begrenzten Verfügbarkeit von Fahrzeugmodellen Hohe Anschaffungskosten begründen sich insbesondere durch die Art der Batterie. Momentan üblich bei Elektroautos: Lithium-Ionen-Batterien (LIB)

4 1. Einleitung: Kosten einer Lithium-Ionen- Batterie teuerstes Material = Kathodenmaterial (46% des Gesamtpreises) mögliche Alternative = Ersetzen des Kathodenmaterials durch das Anodenmaterial Graphit, ohne dabei Kapazitätsleistung, Wirkungsgrad und Effizienz der Batterie einzuschränken Kostenverteilung (in /kwh) einer LIB Kathode Anode Cu-Folie Separator Elektrolyt Zellgehäuse Al-Folie Quelle: Roland Berger price calculation, 2012

5 1. Einleitung: Aufbau einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie (LIB) Quelle: eigene Darstellung Graphit LiCoO 2, LiMn 2 O 4, LiFePO 4 Kathode Anode Elektrolyt Anode Kathode Lithium-Ionen wandern beim Laden und Entladen zwischen den beiden Elektroden

6 2. Forschungsfrage u. Autor/innen Wie können Batterien günstiger hergestellt werden? Niko Schmidt Joana-Kristin Hahne Stefan Eibl Linus Kuckling WWF/ Arnold Morascher Sergej Rothermel

7 3. Methode 1. Bau einer alternativen Lithium-Ionen-Batterie, bei der sowohl das Anoden- als auch das Kathodenmaterial aus Graphit besteht 2. Testen der alternativen Lithium-Ionen-Batterie hinsichtlich der Kriterien Kapazität, Endkapazität, Wirkungsgrad, Mittlere Entladespannung

8 3. Methode: Aufbau der alternativen LIB Quelle: eigene Darstellung Graphit Graphit L i X- L i X- X- L i X- X- L i L i L i X- Anode Elektrolyt Kathode Bei diesem Aufbau, und das ist neu, werden zwei verschiedene Ionentypen aus der Elektrolytlösung in die Elektroden eingelagert und umgekehrt. Dies erlaubt es, kostengünstigeres Graphit auch als Kathodenmaterial zu verwenden.

9 4. Durchführung: Bau der alternativen LIB 1. Herstellung der Elektroden Mischen von Wasser und Zellulose (Kleber) Beifügen von Graphitpulver Aufstreichen auf Aluminiumund Kupferfolie Ausstanzen der Elektroden (d = 12 mm) Erhitzen der Elektroden, um diese zu trocknen elektrochemische Untersuchung der Elektroden Auftragen auf Aluminiumfolie Ofen zum Trocknen der Elektroden Bildquelle: MEET

10 4. Durchführung: Bau der alternativen LIB und Test 2. Bau einer Swagelok-Testzelle Zellgehäuse (in der Funktion als Batterie), in das die Elektroden zum Testen platziert wurden unter Schutzatmosphäre, um Feuchtigkeit auszuschließen Propylencarbonat, 1M LiClO 4 als Elektrolyt 3. Testen der Batterie 50 Lade-/Entladezyklen Spannungsgrenzen: 5V 3V Swagelok-Zelle Quelle: MEET

11 5. Auswertung: Ergebnisse der Messung Quelle: eigene Darstellung 25 Übersicht über 50 Lade- u. Entladezyklen der Batterie 120 Kapazität in mah Wirkungsgrad in % Zyklen 0 spezifische Ladekapazität in mah/g spezifische Entladekapazität in mah/g Effizienz

12 5. Auswertung: Ergebnisse der Messung konstante Kapazität konnte nicht gemessen werden Endkapazität wurde nicht erreicht (im 50. Zyklus ca. 23 mah/g; ein herkömmliches Kathodenmaterial hat eine Kapazität von mah/g) Wirkungsgrad bei ca. 97 % (normale Batterie 99 %) mittlere Entladespannung bei ca. 4,2 V (bei einer Lithium- Ionen-Batterie-Kathode, 3,7 V)

13 6. Fazit keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt hinsichtlich der vier Parameter Kapazität, Endkapazität, Wirkungsgrad und mittlere Endladespannung Damit Kosten der LIB Batterien gesenkt werden können, muss weiterhin geforscht werden; Optionen sind: Langzeittests mit den Zellen geringere Lade- und Entladeströme (mehr Zeit/Lade- u. Entladevorgang) analytische Untersuchung der Elektroden und des Elektrolyten Graphitschicht dünner auftragen Suche nach alternativen Materialien

14 7. Anwendung: die Erforschung von kostensparenden LIB lohnt sich Breites Anwendungsfeld: Elektroautos allgemein als Energiespeicher diverse elektr. Geräte z. B. Laptops Smartphones Ipods etc California Cars Initiative / CC

15 Kontakt MEET: Sergej Rothermel Corrensstraße Münster Tel.: Fax: MExLab: Mark Krasenbrink Corrensstraße 2b Münster Tel.: Fax: mexlab@uni-muenster.de 15

16 Vielen Dank!