Batterien für die E- Mobilität Entwicklungstrends

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1 Batterien für die E- Mobilität Entwicklungstrends Fachkonferenz Einfach elektrisch- Neue Mobilität für Stadt und Region Oldenburg, 9. Juli 2015 Dr.-Ing. Julian Schwenzel Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM Wiener Straße Bremen Marie- Curie Str Oldenburg

2 Fraunhofer IFAM Größtes europäisches unabhängiges F& E Zentrum für Formgebung und Funktionswerkstoffe und Klebtechnik und Oberflächen 420 MA, total budget approx. 30 Mio. Bremen Bremerhaven Stade Oldenburg Bremen Itzehoe Lübeck Rostock Stade Oldenburg Hannover Potsdam Berlin Teltow Braunschweig Magdeburg Cottbus Oberhausen Paderborn Halle Dortmund Schkopau Leipzig Duisburg Kassel Schmallenberg Dresden Aachen St. Augustin Jena Freiberg Euskirchen Gießen Erfurt Chemnitz Wachtberg Ilmenau Darmstadt Würzburg Bayreuth Bronnbach Erlangen St. Ingbert Kaiserslautern Fürth Nürnberg Saarbrücken Karlsruhe Pfinztal Ettlingen Stuttgart Straubing Freising Freiburg Augsburg Garching München Oberpfaffenhofen Kandern Prien Efringen- Holzkirchen Kirchen Dresden

3 Foto: MEV Fraunhofer IFAM forschen, entwickeln, anwenden 24 Abteilungen bündeln ihr Wissen in 7 Kernkompetenzen PULVERTECHNOLOGIE METALLISCHE SINTER-, VERBUND- UND ZELLULARE WERKSTOFFE KLEBTECHNIK OBERFLÄCHENTECHNIK GIESSEREITECHNOLOGIE ELEKTRISCHE KOMPONENTEN UND SYSTEME FASERVERBUNDWERKSTOFFE»Fraunhofer-Linien«

4 Kompetenzen: IFAM Elektrische Energiespeicher Vom Pulver bis zur Zelle Material und Analytik Evaluation von neuen Materialien für elektrische Energiespeicher Spezielle Analysetechniken z.b. In Situ - Methoden Prozess- und Fertigungstechnik Herstellungsverfahren für Elektroden (Extrusion, Dick- / Dünnschicht) Batterie- Zellenbau und Design

5 Elektrische Energiespeicher sind in vielen Anwendungen von zentraler Bedeutung Herausforderung Batterie Wh / kg? Wh / L? - Sicherheit! - Kosten! Lebensdauer? Gewicht Wh /kg? Platzbedarf? Wh / L?

6 Vision: Emmisionsfreie Langstrecken Mobilität Welche Möglichkeiten bieten neue Batterietechnologien? Anforderungen : Hohe Leistung und Energie Ladezeiten, Reichweite Sicherheit Kosten günstig / reichlich vorhandene Materialien Lebensdauer, Effizienz Zuverlässigkeit, Akzeptanz, Qualität Materialforschung & Prozessentwicklung sind Schlüssel zu besseren Energiespeichern!

7 leichter Stand der Batterie Technologie kleiner

8 Energiedichten - Wie schwer, wieviel Platz? Nissan Leaf AESC Pouch Renault ZOE LG Pouch Smart LiTec Pouch Mitsubishi imev Li-Energy JP, Prsm. Tesla Model S Panasonic, Cylindr. M.Anderman, AABC Europe 2015, + Market report

9 Range [km] 250 kg 200 Wh/km 300 High energy batteries: pushed for electrical vehicle LiB 80 Ni-MH 40 Pb Next LiB optimized Based on: Fh ISI Technologie Roadmap Li Ionen Batterie today middle term Long term 2040

10 Gewichtsverteilung einer Batterie- Zelle Energieinhalt: innere Energie bestimmt durch das aktive Elektrodenmaterial äußere Energie bestimmt durch das Elektroden- / Batteriedesign Bsp.: Pouch Zelle (*) 2,2 Ah, 3.7 V,180 Separator 5% Anode Aktivmaterial 24% Kathode Aktivmaterial 34% Gehäuse, etc. 5% Aluminium 5% Kupfer 14% Elektrolyt 13% Batterie System (*) Werte nach: A. Jossen, Design & Elektronik Entwicklerforum, München, 2010

11 Elektrochemie / Material bis Batteriesystem Spez. Energiedichte Level Pb Li- Ion Elektrochemie / Material Zelle Anoden, Kathoden, Zellkomponenten, Design Zellfertigung System mechanisch, elektrisch, thermisches Management Verbesserung der Energiedichte

12 Gravimetrisch / Volumetrisch Energiedichte von Lithium Ionen Batterie (Zelle) specific energy energy density ( Panasonic ) ( Sion ) praktische Energie % der theo. Energie nur 1-2 wt.-% Lithium im System ist aktiv beteiligt Größter Energieverlust in der Zellkonstruktion Performance basierend auf Zellchemie und Zelldesign Y. Shao-Horn et al., Energy Environ. Sci.,2013,6, 750

13 Range [km] 250 kg 200 Wh/km 300 High energy batteries: pushed for electrical vehicle LiB 80 Ni-MH 40 Pb Next LiB optimized 200 LiB: High capacity anodes 300 LiB: Alloy anodes High capacity cathode Based on: Fh ISI Technologie Roadmap Li Ionen Batterie today middle term Long term 2040

14 Lithium Ionen Technologie etabliert von Sony 1991 Batterie im entladenen Zustand assembliert! Alleskönner (Vielfalt an Material, Design, Anwendungen ) Elektroden: Interkalationsreaktion

15 Spannung vs. Li / Li + [V] Elektrodenmaterialien für Lithium Ionen Batterien Energie = Spannung Kapazität Schichtstruktur Spinel Olivine 2 1 Graphit Kapazität [mah/g]

16 Spannung vs. Li / Li + [V] Elektrodenmaterialien für Lithium Ionen Batterien Energie = Spannung Kapazität Schichtstruktur Spinel Olivine Höhere Spannung Höhere Kapazität 2 1 Graphit Höhere Kapazität Kapazität [mah/g]

17 Spannung vs. Li / Li + [V] Elektrodenmaterialien für Lithium Ionen Batterien Energie = Spannung Kapazität 5 Hochvoltkathoden Schichtstruktur Spinel Olivine Sauerstoff Schwefel 1 Graphit Legierungen Sn Si Li Kapazität [mah/g]

18 Range [km] High energy batteries: pushed for electrical vehicle kg 200 Wh/km 130 LiB 80 Ni-MH 40 Pb Next LiB optimized 200 LiB: High capacity anodes 300 LiB: Alloy anodes High capacity cathode Li / S Li / Air Based on: Fh ISI Technologie Roadmap Li Ionen Batterie today middle term Long term 2040

19 Lithium Sauerstoff Batterie (Li /O 2 ) vgl. mit Benzin? Benzin: Thermische Verbrennung Lithium - Sauerstoff: Elektrochemische Verbrennung C 8 H O 2 8 CO H 2 O (g) 2Li + O 2 Li 2 O 2 (fest) Einweg Reaktion Reversible Reaktion

20 Wie sehen grundlegende Fragestellungen bei der Lithium- Sauerstoff Batterie aus? neg. Elektrode ( Anode ) Li-Metall?? (Stabilität) alternativen SiLi, SnLi,?? Elektrolyt Stabilität? Benetzung? Li + -Leitfähigkeit? O 2 Löslichkeit? Li 2 Li + O 2 Li 2 O 2 Charge: x Li + y/2 O 2 + n e - Li x O y η chg η dis Discharge: x Li + y/2 O 2 + n e - Li x O y pos. Eletrode ( Kathode ) Membran O 2 H 2 O CO 2 Poröse GDE ( Kapazität) Porengröße Porenverteilung Katalysator ( Effizienz) Material?

21 Abgeschätzung Energiedichte von Li / O 2 System (Zell Ebene) spezifische Energie Li Energiedichte Li 15 Si 4 Li 15 Si 4 Li Keine Verbesserung in der Li volumetrischen Li 15 Si 4 Energiedichte! Li Li 15 Si 4 C 6 C 6 C 6 C 6 Li- Ionen Li- Luft Li- Ionen Li- Luft ohne Elektrolyt, Additive, Binder, Kohlenstoffsubstrat 2fache Lithium Metall Anode

22 Sicherheitsaspekte von Lithium Ionen Batterien Elektrode: instabile Kathoden e.g. Oxide LiCoO 2 To do s: Stabile Kathode Oberflächeninaktive Anode Wärme Thermisch: Überladung, hoch Strom, lokaler interner Kurzschluß Elektrolyt: Seitenreaktion Elektrolyt / Elektrode Nicht brennbar To do s: Nicht entzündliche Elektrolyte To do s: Zelldesign Stabiler Separator BMS, Kühlung

23 Festkörperbatterien: Warum Festkörperelektrolyte? hohe Sicherheit Elektrolyt nicht brennbar temperaturstabil hohe Energiedichte: Packaging Verwendung von Lithium Metall & Hochvoltkathoden kompakter Aufbau Reduzierung von nicht aktiven Komponenten an Bauraum anpassbar dünne Bauformen möglich, flexibel Flüssig- Elektrolyt Festkörper- Elektrolyt

24 Wie können kompakte Festkörperbatterien mit guten Grenzschichten gebaut werden? Dünns chichttechnologie Dickschichttechnologie Sinterprozesse Extrudieren [Fraunhofer IFAM] kontinuierlicher Prozess kompakte Schichten geringe Schichtdicken kompakte Komposite kein kontinuierlicher Prozess Polymerelektrolyt Kompositelektrode kontinuierlicher Prozess

25 Range [km] High energy batteries: pushed for electrical vehicle kg 200 Wh/km 130 LiB 80 Ni-MH 40 Pb Next LiB optimized 200 LiB: High capacity anodes 300 LiB: Alloy anodes High capacity cathode Li / S Li / Air Based on: Fh ISI Technologie Roadmap Li Ionen Batterie today middle term Long term 2040

26 Kostenverteilung Lithium Ionen Batterie Pack basierend auf 500 /kwh (Hoch-Energie Pack) Kathode 11% Anode 4% Elektrolyt 3% Separator 5% Cu Folie 3% Al Folie 1% Binder etc. 3% 75% Material & Verarbeitung : Reinheit, k, Prozesstechnologie Zellfertigung : Produktionseffizienz (m 2 /sec), Reproduzierbarkeit Batteriebau : Stückzahl, Fertigungstechnologie Kosten können auf 250 / kwh (bis 2020) reduziert werden! Quelle : Roland Berger Strategy Consultants

27 Ausblick: Verbesserung der Sicherheit und Kostenreduzierung der konventionellen Zellchemie Der große Sprung in Energiedichte nur durch neue Chemie: Rekonstitutionsreaktionen nanostruktruierte Si- Anoden, Li / S oder Li / O2 Festkörper - Elektrolyte

28 IFAM Elektrische Energiespeicher Oldenburg Vielen Dank! Kontakt: