Forschungsschwerpunkte am PCI der JLU Gießen

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2 Forschungsschwerpunkte am PCI der JLU Gießen Ionenleitung in Festkörpern Funktionelle oxidische Dünnfilme Gaselektroden und O 2 -Speicherung Plasma-Elektrochemie Implantat-Grenzflächen Batteriematerialien und -reaktionen 2

5 Alles eine Frage der Speicherung Neue Batterielösungen Dr. Dominik Weber Die unverzichtbare Technologie Lithiumionen- und Feststoffbatterien (Lithiumionen-Batterien = teil-flüssig Feststoffbatterien = voll-fest ) Wissenschaftliche Herausforderungen Alternative Speicherlösungen PCI - Justus-Liebig-Universität Gießen BELLA Karlsruher Institut für Technologie 5

6 Fakt ist Elektrochemische Energiespeicherung ist bereits heute eine unverzichtbare Technologie in unserem täglichen Leben. 6

7 Fakt ist Elektrochemische Energiespeicherung ist bereits heute eine unverzichtbare Technologie in unserem täglichen Leben. Chancen (Vielfalt!) und neue Herausforderungen MWh kwh Wh mwh Stationäre Energiespeicher Fahrzeugbatterien. Starterbatterie, Hybride, Elektroauto Mobile Elektronik/IT. Telefon, Notebook, Kamera, Intelligente Kleidung? Medizin ( Reparatur und Diagnose). Herzschrittmacher, Hörgeräte, künstliche Augen,! 7

8 Fakt ist Elektrochemische Energiespeicherung ist bereits heute eine unverzichtbare Technologie in unserem täglichen Leben. Chancen (Vielfalt!) und neue Herausforderungen MWh kwh Wh mwh Stationäre Energiespeicher Fahrzeugbatterien. Starterbatterie, Hybride, Elektroauto Mobile Elektronik/IT. Telefon, Notebook, Kamera, Intelligente Kleidung? Medizin ( Reparatur und Diagnose). Herzschrittmacher, Hörgeräte, künstliche Augen,! 8

9 Die Wellen der Elektromobilität Die frühe Automobilität war elektrisch Thomas A. Edison (147 Patente auf Batterien) Relativ kleine Reichweite ( 130 km) mit 400 kg Batteriepaket bei einer Spitzengeschwindigkeit von 32 km/h Umwelt-/Ölkrisen der 1970er Jahre 1967: N. Weber/J. T. Kummer (Ford Motor Co.) entwickeln die Natrium/Schwefel-Batterie : R. A. Huggins lernt bei Carl Wagner in Göttingen Festkörperelektrochemie XX Erneuerbare Energie und das Elektromobil Deutschland: Die Krise der Elektrochemie, die Energiewende und die Intensivierung des Ringens um die Energiestrategie 9

10 Ein Beispiel: Der Tesla Roadster Wichtigste Kennzahlen: Preis Batterie: Typ: Metalloxid (Li-Ionen) 6831 Li-Ionenbatterien Masse Batteriepaket: m = 408 kg Energie Batterie: W = 56 kwh (375 V) (entspricht gut 6 L Benzin) Energiedichte Batterie: 137 Wh/kg Fahrzeugmasse (leer): m = 1220 kg Maximale Reichweite: l = 350 km Batteriemasse per 100 km: 117 kg Energieverbrauch per 100 km: 16 kwh 10

11 Neue innovative Zelltypen sind notwendig Spezifische Leistung in W / kg Spezifische Energie in Wh / kg Batteriegewicht in kg / 100 km Reichweite 11 Aus: BASF SE Informationsblatt

14 Feststoffbatterien in der Presse :..more than twice the energy density of lithium ion units..increase energy density to between 600 and 700 Wh L -1 by at least 500 kilometers [ ] on one charge.. 14

15 Energetische Einordnung der Batterietypen 15 Nach: Toyota Pressemitteilung (2011)

16 Energetische Einordnung der Batterietypen 16 Nach: Toyota Pressemitteilung (2011)

17 Energetische Einordnung der Batterietypen Festkörperbatterien Intrinsisch hohe Sicherheit Langzeitstabil Temperaturbeständig Eigene Abschätzung: 150 L Batteriepack 300 kg Vol. Energiedichte 350 Wh L 1 Spez. Energiedichte 175 Wh kg 1 17 Nach: Toyota Pressemitteilung (2011)

18 Eine typische Li-Ionen-Batterie Cu- Stromableiter Graphit-Elektrode LiMO x -Elektrode Lösungsmittel Al- Stromableiter 18 LiC + CoO Entladen 6 C + LiCoO 6 2 Laden 2

19 Eine typische Li-Ionen-Batterie Organischer flüssiger Elektrolyt Cu- Stromableiter Graphit-Elektrode LiMO x -Elektrode Lösungsmittel Al- Stromableiter 19 LiC + CoO Entladen 6 C + LiCoO 6 2 Laden 2

20 Herstellungsprozess für eine zylindrische Zelle 1. Wickeln 2. Verpacken 3. Kontaktieren und Elektrolyt einfüllen 20 Vortrag Prof. Dr. Pettinger, Zellbau und industrielle Fertigung, Battery School Rauischholzhausen B. Ketterer, U. Karl D. Möst S. Ulrich, Wissenschaftliche Berichte FZKA 7503, Lithium-Ionen Batterien: Stand der Technik und Anwendungspotenzial in Hybrid-, Plug-In Hybrid- und Elektrofahrzeugen

21 Von der Li-Ionen-Batterie zur Feststoffbatterie Zelle mit Flüssigelektrolyt (und Separator) Graphitanode Intercalationskathode Flüssigelektrolyt dringt in poröse Elektroden ein Ein Separator wird benötigt Organischer Elektrolyt 21

22 Von der Li-Ionen-Batterie zur Feststoffbatterie Zelle mit Flüssigelektrolyt (und Separator) Graphitanode Intercalationskathode Anorganischer (Glas oder Keramik) Festelektrolyt 3D Komposit Elektroden + FE Separator 2D Dünnfilm Zellen Feststoffzelle (Elektrolyt mit Separatorfunktion) Flüssigelektrolyt dringt in poröse Elektroden ein Ein Separator wird benötigt Organischer Elektrolyt 22

23 Von der Li-Ionen-Batterie zur Feststoffbatterie Zelle mit Flüssigelektrolyt (und Separator) Graphitanode Intercalationskathode Anorganischer (Glas oder Keramik) Festelektrolyt 3D Komposit Elektroden + FE Separator 2D Dünnfilm Zellen Feststoffzelle (Elektrolyt mit Separatorfunktion) Flüssigelektrolyt dringt in poröse Elektroden ein Ein Separator wird benötigt Organischer Elektrolyt (Fester) Polymerelektrolyt 23

24 Von der Li-Ionen-Batterie zur Feststoffbatterie Zelle mit Flüssigelektrolyt (und Separator) Graphitanode Intercalationskathode Anorganischer (Glas oder Keramik) Festelektrolyt 3D Komposit Elektroden + FE Separator 2D Dünnfilm Zellen Feststoffzelle (Elektrolyt mit Separatorfunktion) Flüssigelektrolyt dringt in poröse Elektroden ein Ein Separator wird benötigt Organischer Elektrolyt (Fester) Polymerelektrolyt 24

25 Cartoon Schnelle Ionen treffen auf eine Phasengrenze Aus: W. Van Gool (Ed.), Fast Ion Transport in Solids, Solid State Batteries and Devices, North Holland, New York (1973) 25

26 Festelektrolyte in der aktuellen Forschung 80 C 20 C Organische Flüssigelektrolyte bei Raumtemperatur 26 Henrik Buschmann, 2011

27 Ein keramischer Festelektrolyt - Granat (LLZO) o Ein Messergebnis aus der Neutronenbeugung 27 Kooperation mit H. Ehrenberg, KIT, Karlsruhe und A. Senyshyn, FRM II (SPODI), Garching

28 Ein keramischer Festelektrolyt - Granat (LLZO) Li + /Al 3+ La 3+ Zr 4+ O 2 Li Al La 3 Zr 2 O 12 M / (g/mol) Kristallsystem kubisch Raumgruppe Ia3d Z 8 a / pm (2) V / 10 6 pm (5) ρ / (g/cm 3 ) Li-ionen-leitender Granat Li Al La 3 Zr 2 O 12 σ 298 (Li + ) = S/cm t 298 (e - ) < R. Murugan et al., Angew. Chem. Int. Ed. (2007), 46, H. Buschmann et al., Phys. Chem. Chem. Phys. (2011), 13,

29 Ein keramischer Festelektrolyt - Granat (LLZO) Li + /Al 3+ La 3+ Zr 4+ O 2 Li Al La 3 Zr 2 O 12 M / (g/mol) Kristallsystem kubisch Raumgruppe Ia3d Z 8 a / pm (2) V / 10 6 pm (5) ρ / (g/cm 3 ) Li-ionen-leitender Granat Li Al La 3 Zr 2 O 12 σ 298 (Li + ) = S/cm t 298 (e - ) < R. Murugan et al., Angew. Chem. Int. Ed. (2007), 46, H. Buschmann et al., Phys. Chem. Chem. Phys. (2011), 13,

30 Fallstricke bei der Verfestigung der Batterie Korngrenzen (Porosität) und Grenzflächen Anode Elektrolyt Kathode 30 Pascal Hartmann, Jochen Reinacher, Martin Busche, Thomas Leichtweiß und SCHOTT AG, 2012/13

31 Fallstricke bei der Verfestigung der Batterie Korngrenzen (Porosität) und Grenzflächen Anode Elektrolyt Kathode Instabilität des Elektrolyten gegen metallisches Lithium Elektrolyttablette 31 Pascal Hartmann, Jochen Reinacher, Martin Busche, Thomas Leichtweiß und SCHOTT AG, 2012/13

32 Leistungsfähige Feststoffbatterien Forschung! Korngrenzen (Porosität) und Grenzflächen Instabilität des Elektrolyten gegen metallisches Lithium Elektrolyttablette 32 Stefan Berendts, Jochen Reinacher, Martin Busche, 2012/13

33 Leistungsfähige Feststoffbatterien Forschung! Korngrenzen (Porosität) und Grenzflächen Optimierte Präparationsbedingungen Instabilität des Elektrolyten gegen metallisches Lithium Elektrolyttablette 33 Stefan Berendts, Jochen Reinacher, Martin Busche, 2012/13

34 Leistungsfähige Feststoffbatterien Forschung! Korngrenzen (Porosität) und Grenzflächen Optimierte Präparationsbedingungen Instabilität des Elektrolyten gegen metallisches Lithium Elektrolyttablette Schutzschicht Elektrolyt 34 Stefan Berendts, Jochen Reinacher, Martin Busche, 2012/13

35 Leistungsfähige Feststoffbatterien Forschung! Korngrenzen (Porosität) und Grenzflächen Optimierte Präparationsbedingungen Instabilität des Elektrolyten gegen metallisches Lithium Elektrolyttablette Schutzschicht Elektrolyt 35 Stefan Berendts, Jochen Reinacher, Martin Busche, 2012/13

36 Alternative Speicher Die Natrium-Schwefel-Batterie Entladung Entladen 2 Na + x S Na2S Ladung Laden x Eigenschaften: Na + Natrium (Na) Schwefel (S) Na- -Alumina, Na 2 O (5-11)Al 2 O 3 hohe Energiedichte, 200 Wh/kg (2 V) Betriebstemperatur 250 C bis 350 C Nahezu keine Selbstentladung Hohe Effizienz, > 85 % Lange Lebenszeit, 15 Jahre Recyclebar Ausgangsmaterialien reichlich verfügbar! als stationäre Lösung auch in Deutschland geeignet (Expertise allerdings gering)! 36

37 Alternative Speicher Die Natrium-Schwefel-Batterie Großprojekte: NGK Insulators, LTD., Japan 34 MW Speichersystem für 51 MW Windpark 1,5 MW Speichersystem für 5 MW Solarpark 37

38 Alternative Speicher Redox-Flow-Batterien Art der Energiespeicherung: Regenerative Brennstoffzellen Typ Natrium- Polysulfid- Bromid Vanadiumredox Zink-Brom Zink-Cer Reaktion NaBr Na 2 S 2 3 NaBr + Na 2 S 4 in wässriger Lösung V(V)/V(II) V(IV)/V(III) in schwefelsaurer Lösung ZnBr 2 Zn + Br 2 wässr. Lösung mit quaternärem Ammoniumsalz Ce(IV)/Zn(II) Ce(III)/Zn(0) in Methansulfonsäure Zellspannung E o /V 1,54 1,25 1,83 2,43 Wirkungsgrad: 75 bis 80 % als stationärer Speicher geeignet 38 Quelle: Wochenschau der FG Angewandte Elektrochemie (12. Woche 2006, P. Moser, W. Moll)

39 Randbedingungen für die Entwicklung neuer Batterien Machbarkeit von Systemen nächster Generation beweisen Stoffe und Stoffkombinationen für langzeitstabile Batteriesysteme Umweltfreundliche Batteriesysteme Kostengünstige Stoffsysteme ohne Verknappungsprobleme Viele (noch) ungeklärte Fragen, die durch gute Forschung beantwortet werden können! 39

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