Batterien als Bestandteil zukünftiger Antriebstechnik. Volkswagen AG Konzernforschung Antriebe Dr. Tobias Lösche-ter Horst

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1 Batterien als Bestandteil zukünftiger Antriebstechnik Volkswagen AG Konzernforschung Antriebe Dr. Tobias Lösche-ter Horst 4. Kompetenztreffen Elektromobilität, Essen,

2 Agenda Automotive Anforderungen Lithium-Ionen-Batterie Potentiale der Lithium-Ionen-Batterie Neue Batterietechnologien 2

3 Mögliche Entwicklung nachhaltiger Energien im Automobilsektor ICE Hybrid Energie (100 %) Konventionelle Kraftstoffe Kurzstreckenmobilität Biokraftstoffe Elektrizität PlugIn Range Extender BEV Langstrecken- BEV Langstreckenmobilität FCEV ICE Zeit Antriebsforschung Dr. Tobias Lösche-ter Horst 3

4 Mobilitätsbedürfnisse Urbane Räume und Langstrecken XL1 Golf TwinDrive Jetta Hybrid Golf GTE Touareg Hybrid e-golf e-up! Cayenne Hybrid e-caddy Q5 Hybrid Passat GTE 918 Spyder Passat HyMotion Antriebsforschung Dr. Tobias Lösche-ter Horst Panamera Hybrid 4

5 Elektrische Leistung / Energie Verhältnis der Antriebskonzepte BEV PHEV HEV P/E-Verhältnis P/E = Elektrische Antriebsleistung (Peak) Energieinhalt der Traktionsbatterie 5

6 Batteriezellen HEV, PHEV, BEV Grav. Leistungsdichte [W/kg] P/E = 20 P/E = 10 P/E = Grav. Energiedichte [Wh/kg] 6

7 Batteriezellen HEV, PHEV, BEV Grav. Leistungsdichte [W/kg] P/E = 20 P/E = 10 P/E = Grav. Energiedichte [Wh/kg] 7

8 Agenda Automotive Anforderungen Lithium-Ionen-Batterie Potentiale der Lithium-Ionen-Batterie Neue Batterietechnologien 8

9 Roadmap Hochenergiebatterien: Li-Ionen-Batterie Elektrische Reichweite in km Konventionelle Lithium-Ionen Technologie Neue Batterietechnologien km 260 Wh/L* * Energiedichte bezogen auf Zelle 2030 Roadmap Forschungslevel 9

10 Reiner E-Antrieb e-golf Antrieb Combined Charging System Elektromotor: Permanenterregte Synchronmaschine Elektromotor mit 85 kw Drehmoment: 270 Nm Lithium-Ionen Batterie Energieinhalt: 24,2 kwh Gewicht: 318 kg Reichweite: 190 km 10

11 Agenda Automotive Anforderungen Lithium-Ionen-Batterie Potentiale der Lithium-Ionen-Batterie Neue Batterietechnologien 11

12 Roadmap Hochenergiebatterien: Li-Ionen-Batterie Elektrische Reichweite in km Konventionelle Lithium-Ionen Technologie 190 km 260 Wh/L* 300 km 380 Wh/L* 380 km 510 Wh/L* 500 km 650 Wh/L* Neue Batterietechnologien * Energiedichte bezogen auf Zelle Roadmap Forschungslevel 12

13 Kathodenmaterialien Schlüsselfaktoren: Kosten, Energie & Leistung Praktische Energiedichte [Wh/l] Praktische 1C-volumetrische Energiedichte 0 NMC 111 NMC 622 NMC 811 NCA Li-reiches NMC NMC 622 NMC 811 NCA Lireiches NMC Energie Sicherheit Lebensdauer Leistung o o o - Kosten o Wirkungsgrad o o o o Technologiereife > 40 Ah Zellen 13

14 Kathodenmaterial nickelreiches NMC Co Herausforderungen und Forschungsaktivitäten: Entwicklung eines elektrochemisch stabilen Kosten Stabilität Elektrolyten bis 4.4 V Sicherheit bei höheren Nickelkonzentrationen Konzentration auf die Wechselwirkung zwischen Mn Kosten Sicherheit Kapazität Kapazität Sicherheit Ni Elektrode/Elektrolyt für eine verbesserte Leistung der Zelle (PHEV) 14

15 TOP Thema auf der Anodenseite: Siliciumhaltige Anode! Silicium Anode : Jährliche Anmeldungen Patentanmeldungen Quelle: Pat-Base Fazit Intensive Silicium Anodenforschung bei den asiatischen Firmen! 15

16 Anodenmaterial Silicium Ansatz: Bildung von amorphen Li x Si y -Phasen Silicium hat eine 10-fache höhere Speicherkapazität (Li 15 Si 4 : 3578 Ah/kg - LiC 6 : 372 Ah/kg) theor. Spez. Kapazität (mah/g) Herausforderungen und Forschungsaktivitäten: hohe Volumenänderung (~300% von Si zu Li 15 Si 4 ) führt zur Degradation der Anode irreversibler Kap.-verlust in Folge der SEI 1) Bildung geringe elektrische Leitfähigkeit von Silicium 0 Graphit Silicium (20% Aktivmaterialanteil) met. Lithium Amorphes Si 1 Li + in 8-gliedrigem Si-Ring Li 15 Si 4 1) SEI: Solid Electrolyte Interface 16

17 Agenda Automotive Anforderungen Lithium-Ionen-Batterie Potentiale der Lithium-Ionen-Batterie Neue Batterietechnologien 17

18 Roadmap Hochenergiebatterien: Festkörperbatterie Elektrische Reichweite in km Konventionelle Lithium-Ionen Technologie 190 km 260 Wh/L* 300 km 380 Wh/L* 380 km 510 Wh/L* 500 km 650 Wh/L* 700 km 1000 Wh/L* Lithium- Festkörperbatterie Neue Batterietechnologien * Energiedichte bezogen auf Zelle Roadmap Forschungslevel 18

19 Lithium-Schwefel-Batterie e - e - V Herausforderungen Zyklenstabilität / Löslichkeit der Polysulfide hohe Selbstentladung hoher irreversibler Kapazitätsverlust Praktische Energiedichten vs. Theorie Leistung Schwefel und Lithiumsulfid sind Isolatoren Metallisches Lithium Dendritenwachstum 16 Li + S 8 8 Li 2 S Forschungsbedarf Festelektrolyte Materialstrukturierung auf Nanometerskala Core-Shell Technologie Metallisches Lithium als reversible Anode 19

20 Lithium-Sauerstoff Batterie Lithium e - e - V Poröse Kohlenstoff Kathode Li + Elektrolyt? Li 2 O 2 2Li + O 2 Li 2 O 2 O 2 Herausforderungen Reversibilität der Zellreaktion Überspannung / Hysterese Instabilität der Elektrolyte Reaktionen und Katalyse an den Phasengrenzen? Katalysatoren derzeit nicht spezifisch für die Reaktion Offenes System Metallisches Lithium Dendritenwachstum Forschungsbedarf Aufklärung der Reaktionsmechnismen Materialstrukturierung auf Nanometerskala Core-Shell Technologie Festelektrolyte Metallisches Lithium als reversible Anode 20

21 Feststoffbatterie vs. Batterie mit flüssigem Elektrolyten Li-Ionen-Zelle mit flüssigem Elektrolyt Entladen e - e - V Feststoffbatterie e - Entladen V e - Kupfer Aluminium Separator (20 µm) Kupfer Aluminium Festelektrolyt, auch Separator (10-20 µm) Graphit Anode (70 µm) Elektrolyt flüssig verteilt Kathode (70 µm) Der Flüssigelektrolyt ist gleichmäßig über die gesamte Zelle verteilt (in porösen Elektroden und Separator) Die Lithium-Ionen können gleichmäßig durch flüssige Phase diffundieren metallisches Lithium Anode Kathode + Festelektrolyt (mit internen Grenzflächen) Kathode (20 µm) (70 µm) Lithium-Ionen müssen bei Lade- und Entladevorgängen durch mehrere Feststoffphasen und Grenzflächen diffundieren Anode Grenzfläche Elektrolyt Grenzfläche Kathode 21

22 Ausrichtung Festkörperbatterie mit Keramik oder Polymerelektrolyt Ansätze Herausforderungen LiPF 6 LiPF 6 LiPF 6 LiPF 6 LiPF 6 LiPF6 LiPF 6 LiPF 6 Polymer basierend auf Polyethylenoxid (PEO): ~10-5 S/cm (25 C) Widerstand an den Grenzflächen zwischen Festelektrolyt und Elektroden und relativ niedrige Leitfähigkeit => niedrige Lade- / Entladerate => Betriebstemperatur C Polymerelektrolyt Keramikelektrolyt oxidischer Keramikelektrolyt, Li 6.06 Al La 3 Zr 2 O 12 (Granat): ~10-3 S/cm (25 C) Sulfidischer Keramikelektrolyt, Li 10 GeP 2 S 12 : ~10-2 S/cm (25 C) oxidative und reduktive Stabilität => oft sind Hybrid-Systeme mit zwei verschiedenen Elektrolyten notwendig Volumenänderung an der Lithiumanode Fazit Intrinsisch sichere Li-Hochenergie-Batterien möglich! 22

23 Fazit Elektrische Reichweite in km Konventionelle Lithium-Ionen Technologie 190 km 260 Wh/L* 300 km 380 Wh/L* 380 km 510 Wh/L* 500 km 650 Wh/L* 700 km 1000 Wh/L* Lithium- Festkörperbatterie Neue Batterietechnologien * Energiedichte bezogen auf Zelle 2030 Roadmap Forschungslevel Konzentration auf Lithium-Ionen-Technologie Potential als auch Entwicklungsgeschwindigkeit höher als vor einigen Jahren prognostiziert Potential der Lithium-Schwefel-Technologie ist schwer einschätzbar Lithium-Luft Forschung momentan universitär Zunehmende Aktivitäten im Gebiet Festkörperbatterie mit großen Herausforderungen 23

24 Vielen Dank! 24