Grenzen der Elektromobilität Energieeffizienz, Reichweite und Lebensdauer

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1 Grenzen der Elektromobilität Energieeffizienz, Reichweite und Lebensdauer 27. Deutscher Logistik-Kongress 20. bis 22. Oktober 2010, Berlin Dr. Jens Tübke, Fraunhofer Institut für Chemische Technologie, Pfinztal (Berghausen) 10 µm

2 Überblick zum Vortrag Einführung Anforderungen an mobile Speicher Lithium-Ion-Batterien Zuverlässigkeit von Lithium-Ion-Batterien Wie geht es weiter? ICT

3 Überblick zum Vortrag Einführung Anforderungen an mobile Speicher Lithium-Ion-Batterien Zuverlässigkeit von Lithium-Ion-Batterien Wie geht es weiter? ICT

4 Übersicht Speicher und Wandler Speicher und Wandler Batterie Energieträger ist das Elektrodenmaterial, statischer Elektrolyt in der Zelle Supercap Physikalische Speicherung, statischer Elektrolyt in der Zelle Flow-Batterie Energieträger ist der Elektrolyt, extern gespeichert im Tank Brennstoffzell e Energieträger ist flüssiger oder gasförmiger Brennstoff, statischer Elektrolyt in der Zelle ICT

5 Übersicht Batterien Energiedichte Blei Ni-Cd Ni-MeH Na-S / Na-NiCl 2 Li-Ion Supercap Volumetrisch Wh/L Gravimetrisch Wh/kg Leistungsdichte Volumetrisch W/L 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

6 Hybridisierungsgrad Mikrohybrid Vollhybrid Plug-in Hybrid BEV Kapazität [kwh] Leistung [kw] Batterie-gewicht [kg] Kosten [ /kwh] ICT

7 Motivation - Reichweite Fahrzeug mit IEC BEV + range extender BEV Fahrrad / Bike Fußgänger Reichweite in km ICT

8 Überblick zum Vortrag Einführung Anforderungen an mobile Speicher Lithium-Ion-Batterien Zuverlässigkeit von Lithium-Ion-Batterien Wie geht es weiter?

9 Sicherheit Materialauswahl Kathode Sicherheit 5 Schnelladefähigkeit 4 3 Spez. Energie [Wh/kg] Kosten [ /kwh/zyklenzahl] Spez. Leistung [W/kg] LFP NMC NCA LMS Kalenderlebensdauer Zyklisierbarkeit

10 Elektrochemie Zellendesign Systemdesign Sicherheit Kathodenmaterial Anodenmaterial Binder Leitruß Elektrolyt Additive Wickel-/Stapeltechnik Ableitung / Terminals Zellengehäuse Berstsicherungen CID Verbindungstechnik Kühlsystem Leistungselektronik Batterie-management Modulaufbau Batteriegehäuse

11 Energiespeicherdichte Material o Kathode: 150 Ah/kg o Anode: 300 Ah/kg Zelle: 100 Ah/kg; 360 Wh/kg nur aktives Material, reale Zelle ca. 120 Wh/kg, System ca. 80 Wh/kg Material o Kathode: 200 Ah/kg o Anode: 1000 Ah/kg Zelle: 200 Ah/kg; 720 Wh/kg nur aktives Material, reale Zelle ca. 240 Wh/kg, System ca. 160 Wh/kg

12 Energiespeicherkosten Mit der Annahme von 18 kwh Energieaufwand auf 100 gefahrene km und einer Energiedichte des Energiespeichers von 100 Wh/kg, sowie einem geschätzten Batteriepreis von 300 / kwh ergibt sich: o 50 km Reichweite 90 kg Batteriegewicht 2700 o 100 km Reichweite 180 kg Batteriegewicht 5400 o 150 km Reichweite 270 kg Batteriegewicht 8100 o

13 Energiespeicherkosten Kosten heute liegen bei ca Euro / kwh Problem: fehlender Markt für Massenproduktion lassen sich folgende Preise annehmen: o 500 /kwh für Hochleistungsbatterien o 300 /kwh für Hochenergiebatterien Kosten Kokam heute: < 500 /kwh, China: 300 /kwh Laptop-Zellen heute bei 200 /kwh

14 Energiespeicherkosten abgeschätzte Kostenverteilung: o 30% Materialienkosten o 30% Produktionskosten / Gehäuse o 30% Overheadkosten Materialkosten teilen sich auf in: o Kathodenmaterial ca. 42% o Anodenmaterial ca. 11% o Elektrolyt ca. 13% o Separator ca. 21% o Ableiterfolien ca. 13%

15 Batterie- und Energiemanagement Batteriemanagement (BMS) Vermessen der Zellen (U, I, T) Thermisches Management Energiemanagement (EMS) Steuerung von Lasten und Energiespeicher Berechnung des Zustandes der Zellen SOC, SOH, SOF Elektrisches Management Ausgleich der Zellen Überwachung BMS, Fehlerdiagnose Ausgabe von Nutzerinformationen ICT

17 Lithium Ion Batterien Laden Entladen Kathode LiC 6 x Li+ + xe - + Li 1-x C 6 LiCoO 2 Li 1-x CoO 2 + xli + + xe - Anode

18 Lithium Ion Batterien Kathode Elektrolyt Anode Ruß, o.ä. LiCoO 2 Stromableiter Polymerelektrolyt Graphit Polymerelektrolyt Stromableiter Polymerelektrolyt

19 U in V (vs. Li/Li+) Materialien Anoden und Kathoden für Lithium-Ion 6 5 LiCoPO 4 LiMn 1.5 (Co,Fe,Cr) 0,5 O 4 4 LiCoO 2 LiMn 2 O 4 LiMnPO 4 LiNi 0,33 Mn 0,33 Co 0,33 O 2 3 LiFePO 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

20 Materialien Kathoden Übersicht Kathodenmaterial LiFePO 4 LFP LiCoO 2 LCO LiNi 0,33 Mn 0,33 Co 0,33 NMC LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 NCA LiMn 2 O 4 LMO Spezifische Kapazität, mah/g Nominale Zellspannung, V 140 3, , , , ,9 Charakteristik Geringe Energiedichte, sehr gute Zyklisierbarkeit, sicher Bester Kompromiss zwischen Kapazität, Zyklisierbarkeit und Sicherheit Ersetzt LCO mit geringeren Kosten und verbesserter Sicherheit Eingesetzt für Hochenergie- Batterien Geringe Energiedichte, niedrige Kosten, sicher

21 Lithium Ion Batterien

22 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

24 Sicherheit - Fehlermechanismen Crash Dendriten Interner Kurzschluß Partikel Externer Kurzschluß Temperaturerhöhung Thermal Runaway Öffnen der Zelle Gasemission Feuer Bersten Überladung Defekte Zelle, verschlossen Tiefentladung Wärmezufuhr

25 Sicherheit Lithium Batterien sind als Gefahrgut eingestuft Lithium Batterien müssen seit 2003 unabhängig vom System und vom Lithiumgehalt auf spezielle, verbindlich vorgeschriebene Sicherheitsstandards getestet werden ohne diese Tests dürfen diese Batterien nicht in Verkehr gebracht werden UN Transportvorschriften nach UN-Prüfhandbuch Teil III, Abschnitt 38.3 Lithiumbatterien Prüfung erfolgt unabhängig von der Einstufung als Gefahrgut

26 UN Transporttests T1 Höhensimulation 11,6 kpa, 6 Std. bei 20 C ± 5K T2 Temperaturzyklisierung 10 x zwischen 75 C ± 2K (6 Std.) und - 40 C ± 2K (6 Std.); Wechsel 30 Min T3 Vibration Sinus-Schwingung mit log. Sweep 12 x zwischen 7 Hz und 200 Hz und 7 Hz in 15 Minuten, insgesamt 3 Std. in jeder Achse der Batterie T4 Schock Halbsinus-Schock mit 150 g, Pulsdauer 6 ms je 3 mal positiv und negativ in jeder Achse der Batterie, insgesamt 18 Schocks; Große Batterien 50 g, Pulsdauer 11 ms

27 UN Transporttests T5 externer Kurzschluss Kurzschluss mit einer Impedanz kleiner 100 m über eine Std., oder Gehäuse auf 55 C ± 2K T7 Überladung bei einer Temperatur von 55 C ± 2K doppelter empfohlener Ladestrom (I max ) bei Ladespannung 2 x U nenn oder 22 V (kleinere U) bis 18 V empfohlene Ladespannung, ansonsten 1, 2 x U nenn T6 Schlag (Zelltest) Gewicht von 9,1 kg fällt aus 61 cm Höhe auf einen Stab (Ø 15,8 mm) der quer (90 gedreht) über der Zelle liegt T8 geförderte Entladung (Zelltest) Verpolte Spannung von 12 V über Widerstand an die Zelle, so dass Strom = I max Entladen ist, Zeit = Kapazität [Ah] / I initial [A]

28 Tests IEC CDV (ehemals IEC ) Sekundär Batterien für den Antrieb von elektrischen Straßenfahrzeugen Teil 5: Prüfung des Leistungsverhaltens von Lithium Ion Zellen IEC CDV (ehemals IEC ) Sekundär Batterien für den Antrieb von elektrischen Straßenfahrzeugen Teil 5: Zuverlässigkeit und Missbrauchs-Prüfungen für Lithium Ion Zellen ISO DIS Electrically propelled road vehicles - Test specification for lithium-ion traction battery systems Part 1: High Power applications, Typical application: HEV Hybrid Electro Vehicle and FCV Fuel Cell Vehicle ISO WD Electrically propelled road vehicles - Test specification for lithium-ion traction battery systems, Part 1: High Energy applications, Typical application: BEV Battery Electro Vehicle and PHEV Plugin Hybrid Electro Vehicles

29 Normen und Standards (kleine Auswahl) IEC/TC 69 Electric road vehicles and electric industrial trucks (DKE K 353) ISO/TC 22 Road vehicles (DIN NA 052 BR) -SC 21 (DIN NA AA) Electrically propelled road vehicles DIN V VDE V Sicherheitsanforderungen an Lithium-Sekundärbatterien für Hybridfahrzeuge und mobile Anwendungen IEC Electric vehicle conductive charging system - Part 1: General requirements (Sicherheit und Kommunikation: Kfz <> Ladestation) IEC Electric vehicle conductive charging system - Part 21: Electric vehicle requirements for conductive connection to an a.c./d.c. supply (Sicherheit und Kommunikation: Kfz <> Ladestation) ISO 6469 Electric Road vehicles Safety specifications Part 1 on-board electrical storage Part 2 Vehicle operational safety means & protection against failures Part 3: Protection of persons against electric hazards (ISO/DIS )

30 Testumgebung Quelle: ATZ elektronik: Durchgängiges Sicherheitskonzept für die Prüfung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen

31 EV-Batterien sind Hochvoltsysteme Spannungsbereiche > 60 V dc bis 1500 V dc und 25 V ac bis 1000 V ac - lebensgefährlich Spannungsfestigkeit der Komponenten, Berührungsschutz, doppelte / verstärkte Isolierungen, Isolationsüberwachung, Potentialtrennung

33 Spezifische Energie der Zelle [Wh/kg] Entwicklungschancen 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

34 Roadmaps Entwicklungspläne (Japan)

35 Ausblick: Metall-Sauerstoff-Batterien Metall-O 2 Batterie OCV, V Theoretische spezifische Energie, Wh/kg Theoretische spezifische Energie ohne 0 2, Wh/kg Li/O 2 2, Na/O 2 1, Ca/O 2 3, Mg/O 2 2, Zn/O 2 1,

36 Ausblick: Lithium-Sauerstoff Theoretische Speicherdichten: 5200 Wh/kg OCV=2,9 V 2 Li + H 2 O + ½ O 2 -> 2 LiOH Luft / Sauerstoff Kathode Poröses Mn 3 O 4 / C Gemisch Separator Wässriger Elektrolyt Li-Ionen leitfähiges Glas (LISICON) Nicht-wässriger (organischer) Elektrolyt Anode OH - OH - Li + OH - OH - Li Lithium o Auflösung / Abscheidung

37 Ausblick: Lithium-Sauerstoff Beispiel Fa. PolyPlus Battery, in Berkeley, CA Weitere: Japan's AIST, St. Andrews University Schottland 700 Wh/kg bei 300 Vollzyklen

38 Ausblick: 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

39 Ausblick: Lithium-Schwefel Beispiel Fa. Sion Power Corporation 350 Wh/kg bei 300 Vollzyklen, angestrebt sind 600 Wh/kg

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

41 Ausblick: Kombination klassische mit Flow-Batterien Tochterunternehmen von A123, 24M: Ansatz halbfester Energiespeicher, aber: "Die Endversion wird sich jedenfalls sehr stark von konventionellen Akkus und auch von Flussbatterien unterscheiden. Ansatz des MIT: geschmolzene Metalle als Elektroden (Antimon, Magnesium) mit geschmolzenem Salz als Elektrolyt Patent 24M: klassische Elektrodenmaterialien in Suspension