Überblick über moderne Batteriespeicher und deren Zukunft

Transkript

1 Überblick über moderne Batteriespeicher und deren Zukunft

2 Teams und Schnittstellen des EES Material Produktion Zelle Modellierung Batterie Integration Anwendung TEC EES FTM / EWT / Team Zellproduktion Team Simulation Team Systemtechnik

3 Elektroenergiespeicher mechanisch elektrisch elektrochemisch - Schwungrad - Druckluft - Pumpspeicher - Doppelschichtkondensator - Supralleitende Spulen (SMES) - Akkumulatoren (Li-Ion, NiMH, Pb) - Flow- & Gas-Batterie (Redoxflow, Hybridflow, Metall-Luft ) - Wasserstoff - HT-Batterie (NaNiCl, NaS)

4 Fokus der Präsentation mechanisch elektrisch elektrochemisch - Schwungrad - Druckluft - Pump- speicher - Doppel- schicht- kondensator - Supral- leitende Spulen (SMES) - Akkumulatoren (Li-Ion, NiMH, Pb) - Flow- & Gas-Batterie - Flow- & Gas-Batterie (Redoxflow, Hybridflow, (Redoxflow, Li-Luft ) Hybridflow, Li-Luft Metall-Luft ) ) - Wasserstoff - Wasserstoff - HT-Batterie (NaNiCl, NaS)

5 1. Doppelschichtkondensatoren (DSK) mechanisch elektrisch elektrochemisch - Schwungrad - Druckluft - Pump- speicher - Doppel- schicht- kondensator - Supral- leitende Spulen (SMES) - Akkumulatoren (Li-Ion, NiMH, Pb) - Flow- & Gas-Batterie Flow- Gas-Batterie (Redoxflow, Hybridflow, (Redoxflow, Li-Luft ) Hybridflow, Li-Luft Metall-Luft ) ) - Wasserstoff - Wasserstoff - HT-Batterie (NaNiCl, NaS)

6 Ragone-Diagramm Quelle: Saft S.A.

7 Doppelschichtkondensator (DSK) Andere Namen: Double Layer Capacitor (DLC) Electrical Double Layer Capacitor (EDLC) Ultracap Powercap Supercap Handelsnamen: UltraCap BoostCap GoldCap Quelle: Maxwell, Wima, Nesscap

8 DSK: Funktionsweise - Elektrostatische Ladungsspeicherung - Ladungsspeicherung in der elektrochemischen Doppelschicht - Bei Akkumulator: Ladungsdurchtritt (Faradayscher Prozess) Separator Separator

9 DSK-Aufbau: Zylindrisches Casing Quelle: Detlef Mietke

10 DSK: Entwicklung - Ladungsspeicherung in zugänglicher Oberfläche ca. 40 µf cm 2 Nanostrukturierung der Oberfläche Quelle: Mitre

11 DSK: Entwicklung - Ladungsspeicherung in zugänglicher Oberfläche ca. 40 µ F cm 2 Nanostrukturierung der Oberfläche - Energie hängt quadratisch von der Spannung ab E = 1 2 C U2 Organischer Elektrolyt mit höherer Spannungsfestigkeit

12 DSK: Entwicklung - Ladungsspeicherung in zugänglicher Oberfläche ca. 40 µ F cm 2 Nanostrukturierung der Oberfläche - Energie hängt quadratisch von der Spannung ab E = 1 C U2 2 Organischer Elektrolyt mit höherer Spannungsfestigkeit - Erhöhung der Ladungsspeicherung durch faradaysche Prozesse Pseudokapazität Asymmetrischer DSK

13 DSK: Vorteile und Nachteile ++ Hohe Zyklenfestigkeit ++ Hohe Leistung -- Niedrige spez. Energie -- Hohe spezifische Kosten pro Speicherkapazität

14 1. Doppelschichtkondensatoren mechanisch elektrisch elektrochemisch - Schwungrad - Druckluft - Pump- speicher - Doppel- schicht- kondensator - Supral- leitende Spulen (SMES) - Akkumulatoren (Li-Ion, NiMH, Pb) - Flow- & Gas-Batterie - Flow- Gas-Batterie (Redoxflow, Hybridflow, (Redoxflow, Li-Luft ) Hybridflow, Li-Luft Metall-Luft ) ) - Wasserstoff - Wasserstoff - HT-Batterie (NaNiCl, NaS)

15 2. Akkumulatoren mechanisch elektrisch elektrochemisch - Schwungrad - Druckluft - Pump- speicher - Doppel- schicht- kondensator - Supral- leitende Spulen (SMES) - Akkumulatoren (Li-Ion, NiMH, Pb) (Li-Ion, NiMH, Pb) - Flow- & Gas-Batterie - Flow- Gas-Batterie (Redoxflow, Hybridflow, (Redoxflow, Li-Luft ) Hybridflow, Li-Luft Metall-Luft ) ) - Wasserstoff - Wasserstoff - HT-Batterie (NaNiCl, NaS)

16 Ragone-Diagramm Quelle: Saft S.A.

17 Blei-Akkumulator (Pb-Akku) - + Entladene Aktivmasse Separator Geladene Aktivmasse

18 Pb-Akku: Aufbau der Elektroden - Gitterplatten

19 Pb-Akku: Aufbau der Elektroden - Gitterplatten - Panzerplatten

20 Wartungsfreie Pb-Akkus (VRLA) - Interner Sauerstoffkreislauf Gasung nicht vollständig vermeidbar Überdruckventil Überdimensionierung der neg. Elektrode - Festlegung des Elektrolyten: Vlies (AGM = absorbent glas mat) Gelierung der verdünnten H2SO4

21 Pb-Akku: Vor- und Nachteile + sicher + Massenproduktion + preiswert - wenig Energie - Lebensdauer Quelle: Moll Quelle: Sauer

22 Ragone-Diagramm Quelle: Saft S.A.

23 Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH-Akku) Wasserstoff-Ionen-Batterie Pos. Elektrode: NiOOH Neg. Elektrode: Metalllegierung

24 NiMH-Akku: Vor- und Nachteile + sicher + höhere Lebensdauer + preiswert o mehr Energie - Selbstentladung - Ladung mit niedrigem (Photovoltaik-)Strom ineffizient Quelle: Sanyo Quelle: evworld.com

25 T=20 C + sicher + höhere Lebensdauer + Preiswert O Mehr Energie - Selbstentladung - Ladung mit niedrigem (PHOTOvoltaik-)Strom ineffizient

26 Ragone-Diagramm Quelle: Saft S.A.

27 Warum Lithium?

28 Lithium-Ionen-Akkumulator (Li-Ion-Akku) Separator Quelle: Wikipedia

29 Li-Ionen-Akku: Vor- und Nachteile + Hohe spez. Energie + Hohe Zyklenlebensdauer + Wenig Selbstentladung o Sicherheit - Preis Quelle: A123 Quelle: GS-Yuasa Quelle: LiTec Quelle: Sol-ion

30 Batteriekosten auf Systemebene [ /kwh] Preisprognose: Li-Ion-Akkus Dr. Rudolf Krebs (VW) P3 Engineering Johnson Controls Mitsubishi imiev (16kWh) NPE Bosch Laptops ESMT Bernstein Research

31 Potential versus Li/Li + (V) Zukunft: Li-Ion-Akkus 5 V MnO 2 Doped LiMn 2 O 4 LiCoPO 4 LiMnPO 4 Materialien für die positive Elektrode LiMn 2 O 4 LiCoO 2 LiNiO 2 Polyanionic compounds [Li 1-x VOPO 4, Li x FePO 4 ] Li x Mn 1-y M y O 2 [M=Cr, Co, ] Vanadium oxides [V 2 O 5, LiV 3 O 8 ] Li 4 Ti 5 O 12 Materialien für die negative Elektrode Composite alloys [Sn(M)-based] Carbons Graphite [Sn(O)-based] Si based materials Li metal Quelle: J.-M. Taracson Capacity (A h kg -1 ) Based on data of J.-M. Tarascon & M. Armand, Nature 414 (2001) 359

32 Potential versus Li/Li + (V) Zukunft: Li-Ion-Akkus 5 V MnO 2 Doped LiMn 2 O 4 LiCoPO 4 LiMnPO 4 Stand der Technik (Kathode) LiMn 2 O 4 LiCoO 2 LiNiO 2 Polyanionic compounds [Li 1-x VOPO 4, Li x FePO 4 ] Li x Mn 1-y M y O 2 [M=Cr, Co, ] Vanadium oxides [V 2 O 5, LiV 3 O 8 ] Li 4 Ti 5 O 12 Composite alloys [Sn(M)-based] Carbons Graphite [Sn(O)-based] Stand der Technik (Anode) Si based materials Li metal Quelle: J.-M. Taracson Capacity (A h kg -1 ) Based on data of J.-M. Tarascon & M. Armand, Nature 414 (2001) 359

33 Potential versus Li/Li + (V) Zukunft: Li-Ion-Akkus 5 V MnO 2 Doped LiMn 2 O 4 LiCoPO 4 LiMnPO 4 5 V Kathodenmaterialien LiMn 2 O 4 LiCoO 2 LiNiO 2 Polyanionic compounds [Li 1-x VOPO 4, Li x FePO 4 ] Li x Mn 1-y M y O 2 [M=Cr, Co, ] Vanadium oxides [V 2 O 5, LiV 3 O 8 ] Li 4 Ti 5 O 12 Composite alloys [Sn(M)-based] Carbons Graphite [Sn(O)-based] Hochkapazitive Anodenmaterialien Si based materials Li metal Quelle: J.-M. Taracson Capacity (A h kg -1 ) Based on data of J.-M. Tarascon & M. Armand, Nature 414 (2001) 359

34 Potential versus Li/Li + (V) Zukunft: Li-Ion-Akkus 5 V Doped LiMn 2 O 4 LiCoPO 4 LiMnPO 4 LiMn 2 O 4 LiCoO 2 LiNiO 2 Polyanionic compounds [Li 1-x VOPO 4, Li x FePO 4 ] Li x Mn 1-y M y O 2 [M=Cr, Co, ] Vanadium oxides [V 2 O 5, LiV 3 O 8 ] Sauerstoff (3V) MnO 2 Li 4 Ti 5 O 12 Schwefel (2.1V) Composite alloys [Sn(M)-based] Carbons Graphite [Sn(O)-based] Si based materials Li metal Quelle: J.-M. Taracson Capacity (A h kg -1 ) Based on data of J.-M. Tarascon & M. Armand, Nature 414 (2001) 359

35 2. Akkumulatoren mechanisch elektrisch elektrochemisch - Schwungrad - Druckluft - Pump- speicher - Doppel- schicht- kondensator - Supral- leitende Spulen (SMES) - Akkumulatoren (Li-Ion, NiMH, Pb) (Li-Ion, NiMH, Pb) - Flow- & Gas-Batterie (Redoxflow, Hybridflow, Li-Luft Metall-Luft ) ) - Wasserstoff

36 3. Flow- & Gas-Batterie mechanisch elektrisch elektrochemisch - Schwungrad - Druckluft - Pump- speicher - Doppel- schicht- kondensator - Supral- leitende Spulen (SMES) - Akkumulatoren (Li-Ion, NiMH, Pb) - Flow- & Gas-Batterie - Flow- Gas-Batterie (Redoxflow, Hybridflow, (Redoxflow, Li-Luft ) Hybridflow, Metall-Luft ) Li-Luft ) - Wasserstoff - Wasserstoff - HT-Batterie (NaNiCl, NaS)

37 Lithium-Luft-Akkumulator (Li-Air-Akku) Quelle: IBM

38 Li-Air-Akku: Vor- und Nachteile ++ Sehr hohe spez. Energie + Kath. Reaktand aus der Umgebungsluft + Sicherheit + Potenzial für lange Lebensdauer - Irreversibilität - Gegenstand aktueller Forschung: erste Demonstratoren Quelle: PolyPlus Quelle: Quallion Quelle: Lithion/Yardney

39 Redox-Flow-Batterien (Vanadium) - Aktive Materialien in flüssiger Form (Elektrolyt mit gelösten Salzen) - Entkopplung Energie & Leistung Quelle: ISEA

40 Redox-Flow-Batterien: Vor- und Nachteile + Keine Selbstentladung + Entkopplung Energie & Leistung + Lange Lebensdauer - Wirkungsgrad - Wenige Hersteller - Weitere Forschung notwendig Quelle: ZSW Quelle: Cellstrom

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit