Bekannte und neuartige elektrische Speicher was erwartet uns?

Transkript

1 Bekannte und neuartige elektrische Speicher was erwartet uns? Dr. Jens Tübke, Fraunhofer Institut für Chemische Technologie, Pfinztal (Berghausen) Von Akku bis Zink-Kohle, , SBB mbh

2 Bekannte und neuartige elektrische Speicher der Zukunft was erwartet uns? Welche Speichertechnologien wurden und werden eingesetzt? Welche der so genannten neuen Speichertechnologien sind mittelfristig einsetzbar? Welche Materialien sind in zukünftigen Batterien zu erwarten?

3 Batteriearten - Einführung Einführung Wandlung elektrisch -> chemisch chemische Speicherung Wandlung chemisch -> elektrisch Elektrolyse Primärbatterie Brennstoffzelle Laden wieder aufladbare Batterie Entladen

4 Batteriearten - Einführung Historisches Entdeckung 1936 bei Ausgrabungen des Irag-Museums am Hügel Khujat Rabu`a, südöstlich von Bagdad Tongefäß (300 v.chr.), in dem ein Zylinder aus Kupferblech und in diesem wiederum ein Eisenstab steckte mit einer Kochsalzlösung befüllt, erzeugt die somit entstandene primitive Zellenkonstruktion einen Strom von 250 µa bei einer Spannung von 0,25 V

5 Batteriearten - Einführung Historisches 250 v. Chr. Batterie von Babylon 1770/75 Galvani 1799 Volta Batterie (Cu/Zn) 1836 Daniell Element 1859 Blei-Säure-Batterie 1866 Leclanché Element 1887 Zink-Kohle Element 1899 Ni-Cd 1903 Ni-Fe 1955 Alkali-Mangan Frühe 70er Ni-Wasserstoff Späte 80er Ni-Metallhydrid 1970er Lithium-Batterien 1990er Lithium-Ionen-Batterien

6 Primärzellen: Alkali-Mangan Negative Elektrode: Zn OH - Zn 2+ (OH) e - Positive Elektrode: Mn 4+ O H 2 O + 2 e - Mn 2+ (OH) OH - Summe: MnO 2 + Zn + 2 H 2 O Mn(OH) 2 + Zn(OH) 2 Anwendungsfelder: Radios, CD-Player, Taschenlampen, Wohnraumuhren Spielzeuge Messgeräte, Rechner, Fernbedienungen, u.s.w

7 Primärzellen: Lithium Lithium / SO 2 : Anode: Lithium; Kathode: SO 2(g) ; Elektrolyt: LiBr in Acetonitril (-40 bis 70 C; lange Lebensdauer, hohe Energiedichte) Lithium / SOCl 2 : Anode: Lithium; Kathode: Graphit; Elektrolyt: Lithium-Salz in SOCl 2 (sehr geringe Selbstentladung (10 Jahre)) Lithium / LiMnO 2 : Anode: Lithium; Kathode: MnO 2 ; Elektrolyt: Lithium-Salz in EC, PC, DMC (deutlich verbesserte Sicherheit, max. Spannung 3 V, pulsbelastbar, -20 bis 70 C; geringe Selbstentladung) Lithium / CF x : Anode: Carbon Monofluorid; Kathode: Lithium; Elektrolyt: LiBF 4 in PC, DMC (hohe Energiedichte, Spannung 3 V, -40 bis 85 C) Anwendungsfelder: Knopfzellen (KFZ, Heizung, ) Foto, Taschenrechner,

8 Batteriearten - Einführung Übersicht wieder aufladbare Batterien Energiedichte Blei Ni-Cd Ni-MeH Na-S / Na-NiCl 2 Li-Ion Supercap Volumetrisch Wh/L Gravimetrisch Wh/kg Leistungsdichte Starterbatterie, USV, Solar, Industrieantriebe Power-Tools Konsumer, HEV Volumetrisch W/L Stationär, EV Konsumer, HEV, EV, Industrie Gravimetrisch W/kg Batterietyp Blei Ni-Cd Ni-MeH Na-S / Na-NiCl 2 Li-Ion Supercap Zyklenzahl (80 %DOD) Zykleneffizienz (80 %DOD) Kalenderlebensdauer in Jahren >500 k

9 Bewertung von Batteriespeichern Gleichgewichtung aller Kriterien A. Frankenberg, Diplomarbeit, 2010

10 Batteriearten Blei-Säure Funktionsprinzip negativer Pol: Blei-Platte (Pb) positiver Pol: Blei(IV)oxid-Platte (Pb0 2 ) Elektrolytlösung: Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) Entladen: Pb + 2 H 2 SO 4 + PbO 2 2 PbSO H 2 O Laden: 2 PbSO H 2 O Pb + H 2 SO 4 +PbO 2 Zellspannung: 2 Volt Anwendungsbereiche: Starterbatterie Notstrombatterie Speicherung erneuerbarer Energie Elektrotraktionsbatterie

11 Batteriearten Nickel-Cadmium Vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen Entladen Laden Negative Elektrode: Cd 0 + 2OH - Cd 2+ (OH) 2 + 2e - Positive Elektrode: 2 Ni 3+ OOH + 2H 2 O + 2 e - 2 Ni 2+ (OH) OH - Summe: Cd + 2 NiOOH + 2 H 2 O Cd(OH) Ni(OH) 2 Als Elektrolyt wird Kalilauge mit einer Dichte von 1,19 1,30 g/cm 3 verwendet. Höhere Konzentrationen bewirken eine größere Entladekapazität bei verringerter Lebensdauer. Anwendungsfelder: Power Tools, Cordless Tools Luftfahrt, Bahn

12 Batteriearten Nickel-Metallhydrid Vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen M Mm = Wasserstoff speichernde Legierung, (z.b. Typ AB 5 : MmNi 3,5 Co 0,7 Mn 0,4 Al 0,3, Typ AB 2 : V 15 Ti 15 Zr 20 Ni 28 Cr 5 Co 5 Fe 6 Mn 6 ) = Lanthanreiches Mischmetall mit 50% Lanthan, 30% Cer und 14% Neodym Entladen Laden Negative Elektrode: MH 0 + OH - M + H + 2O + e - Positive Elektrode: Ni 3+ OOH + H 2 O + e - Ni 2+ (OH) 2 + OH - Summe: MH + NiOOH M + Ni(OH) 2 Anwendungsfelder: Wieder aufladbare Konsumerzellen (Foto, Video,..) Hybridfahrzeuge

13 Batteriearten Lithium-Ionen-Batterien Funktionsprinzip Anwendungsfelder: Portable Geräte E-Fahrzeuge Speicherung Erneuerbare Energie

14 U in V (vs. Li/Li+) Anoden und Kathoden für Lithium-Ionen Batterien 6 5 LiCoPO 4 LiMn 1.5 (Co,Fe,Cr) 0,5 O LiCoO 2 LiFePO 4 LiMn 2 O 4 MnO 2 LiMnPO 4 Stabilitätsbereich organischer Elektrolyte mit Li-Salzen 2 Li 4 Ti 5 O Graphit Li-Metall LiSi Kinetisch bedingte Stabilität auf Grund der Ausbildung einer Deckschicht

15 Materialkombinationen HEV Batterien, Zellendesign Firma Kathode Anode Elektrolyt Gehäuse Struktur Form Toyota NCA Graphit flüssig Metall gewickelt prismatisch Panasonic NMC Blend flüssig Metall gewickelt prismatisch JCS NCA Graphit flüssig Metall gewickelt zylindrisch Hitachi NMC / LMO Hard Carbon flüssig Metall gewickelt zylindrisch NEC-Lamilion LMO / NCA Hard Carbon flüssig pouch gestapelt prismatisch Sanyo NMC / LMO Blend flüssig Metall gewickelt zylindrisch GS Yuasa LMO / NCA Hard Carbon flüssig Metall gewickelt prismatisch A123 LFP Graphit flüssig Metall gewickelt zylindrisch LG Chem. LMO Hard Carbon Gel pouch gestapelt prismatisch Samsung LMO / NMC Graphit flüssig Metall gewickelt zylindrisch SK Corp. LMO Graphit flüssig pouch gewickelt zylindrisch EnerDel LMO LTO flüssig pouch gewickelt prismatisch AltairNano NMC / LCO LTO flüssig pouch gestapelt prismatisch

16 Marktentwicklung wieder aufladbare Batterien Portable, HEV, EV (Quelle: Freedonia)

17 Spezifische Energie der Zelle [Wh/kg] Grenzen der Lithium Ionen Technologie Limitierung heutiger und verbesserter Lithium-Ion-Technologie Wh/kg heutige Lithium- Ion-Technologie Wh/kg nächste Generation Lithium-Ion- Grenze erreicht? Li-O Li-S neue Systeme

18 Prognose der erreichbaren Energiedichte / verwendete Materialien

19 Post Lithium-Ionen Technologie: Lithium-Schwefel Theoretische Speicherdichten: 2500 Wh/kg, 2800 Wh/L OCV=2 V 2 Li + S -> Li 2 S Volumenänderung beim Laden / Entladen: ± 0,258 cm 3 /Ah Kathode Entladen Laden S 8 Li 2 S 8 Li 2 S 6 Li 2 S 4 Li 2 S 3 Li 2 S 2 Li 2 S Separator Polysulfide diffundieren durch Separator S 8 Li 2 S 8 Li 2 S 6 Li 2 S 4 Li 2 S 3 Polysulfide werden an der Anode reduziert Shuttle Li + unlöslich Anode Lithium Li o Auflösung / Abscheidung

20 Lithium-Schwefel Kathode: Schwefel-beschichtete Kohlenstoff-Nanoröhren REM-Aufnahme einer S-Kathode M. Hagen, Fraunhofer ICT, 2011

21 Entwicklungsschritte Batterietechnik Verbesserung heutiger LiB-Systeme: Nanostrukturierung, Elektrodenstrukturierung Geeignete Substrate als Ableiter Hochvoltkathoden Lithium-Metall als Anode mit geeigneten Elektrolyten / Additiven Legierungsmetalle als Anoden Hoch temperatursysteme (80-90 C) mit keramischen Materialien Produktionsprozesse (Qualitätssicherung, Kosten, Prozessierbarkeit neuer Materialien)

22 Redox-Flow-Batterien Funktionsprinzip (z.b. all vanadium)

23 Redox-Flow-Batterien Funktionsprinzip (V / Luft) MEA Elektrode Elektrode Elektrolyt - + Pumpe Luft Stromquelle / Last

24 Vielen Dank!

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