Energiespeicher für die Elektromobilität - Entwicklungstrends

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1 Energiespeicher für die Elektromobilität - Entwicklungstrends Julian Schwenzel Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Wiener Straße Bremen Marie- Curie Str Oldenburg

2 Neue Mobilität ökologische und ökonomische Notwendigkeit Reduzierung von Treibhausgasen Kostenreduzierung ( Peak Oil ) Einsatz erneuerbare Energie Energieindustrie Fahrzeugindustrie Herausforderung: elektrische Energiespeicher 2

3 Anforderungen an zukünftige Batterien für automobile Anwendung Energie, Leistung, Lebensdauer, Temperatur Sicherheit Kosten Verfügbarkeit Zuverlässigkeit Materialforschung & Prozessentwicklung sind Schlüssel zu besseren Energiespeichern für die Elektromobilität! 3

4 Batterietechnologien für E- Fahrzeuge Verfügbare Batterietechnologie Li- Ionen Ni-MH Post- Li- Ionen Technologie Li-S Li-Luft Zebra Blei Gen II-III Gen IV Quelle: Zweiter Bericht der Nationalen Plattform Elektromobilität, Mai

5 US $ in Mio Lithium Ionen Markt Prozentuale Verteilung: erwarteter Ertrag weltweit: Quelle : 2010 Frost & Sullivan 5

6 Akzeptanz für E- Fahrzeuge Kosten Senkung der Batteriekosten Reichweite Erhöhung der Energiedichten Euro / kwh kwh Erhöhung der spez. Energie und verbesserte Zellfertigung ist die größte Drehschraube zur Kostenreduzierung. 6

7 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, kwh/kg, Prozesstechnologie Zellfertigung : Produktionseffizienz (m 2 /sec), Reproduzierbarkeit Batteriebau : Stückzahl, Fertigungstechnologie Kosten können auf 250 / kwh (bis 2020) reduziert werden! Quelle : Roland Berger Strategy Consultants 7

8 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 Wh/kg Werte nach: A. Jossen, Basiskurs Batterien, Design & Elektronik Entwicklerforum, München,

9 Lithium Ionen Technologie Gängige Technologie: LiC 6 C e - (370 mah/g) LiPF 6 / EC- DMC C 6 LiCoO 2 Li x CoO 2 +x + e - LiCoO 2 (140 mah/g) Kombination von zwei Insertionselektroden: Für die Realisierung der Gen. I stehen: Kosten Sicherheit Lebensdauer Leistung im Blickpunkt der Entwicklung. Etablierung verlässlicher Technologie Quelle: Bruce, Solid State Ionics 179 (2008)

10 Spannung vs. Li / [V] Elektrodenmaterialien für Lithium Ionen Batterien 5 LiCoPO 4 Li x Ni 0.5 Mn 1.5 O 4 LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 Li x Mn 0.5 Ni 0.5 O 2 4 Li x Mn 2 OLiMnPO 4 4 Li x CoOLiNi Co 0.15 Al 0.05 O 2 Kathode 3 2 LiFePO 4 Li 4 Ti 5 O 12 Elektrochemische Stabilität des Elektrolyten! Li+ Elektrolyt SEI Anode 1 Carbon Sn Si-C Li Si Kinetische Stabilität Kapazität [mah/g]

11 Energiedichte Einige Materialien für die positive LIB-Elektrode LiNiO 2 Li(Ni/Co/Al)O 2 LiCoO 2 Li(Ni/Co/Mn)O 2 LiCoO 2 + LiMn 2 O 4 LiMn 2 O 4 LiFePO 4 niedrig Sicherheit hoch 11

12 Materialkombinationen / Zelldesign Firma Kathode Anode Elektrolyt Gehäuse Struktur Form Panasonic NMC Blend flüssig Metall gewickelt prismatisch Hitachi NMC / LMO Sanyo NMC / LMO Hard Carbon Flüssig Metall gewickelt zylindrisch Blend flüssig Metall gewickelt zylindrisch Toyota NCA Graphit Flüssig Metall gewickelt prismatisch A123 LFP Graphit flüssig Metall gewickelt zylindrisch LG Chem LMO Hard Carbon Gel Pouch gestapelt Prismatisch SK Corp. LMO Graphit flüssig Pouch gewickelt zylindrisch Altair Nano NMC / LCO LTO flüssig Pouch gestapelt prismatisch 12

13 Entwicklungen und Potentiale LiB s Kathodenmaterialien mit höheren Kapazitäten z.b.: - höheren Lithiumumsatz - Zyklenstabilität, - Preis, Sicherheit Erhöhung der Zellspannung z.b.: - Hochvoltkathodenmaterialien - Sicherheit, - Stabilität, - Elektrolyt nicht brennbar Anodenmaterialien mit höheren Kapazitäten z.b.: - Legierungen (IP) - Zyklenstabilität, - Sicherheit, Inaktiven Komponenten z.b.: - dickere Elektroden, - leichtere Stromableiter, Separatoren, Verpackung Neue Speichertechnologien für EV s zielen auf hohe Energiedichten (> 300 Wh/kg) 13

14 Allgemeine Entwicklungsziele für Li/Luft-Akkus neg. Elektrode ( Anode ) U pos. Elektrode ( Kathode ) Li-Metall (Dendritenproblem) alternativ SiLi, SnLi, Lithium Separator / Electroly te GDE 2 O 2 Li 2 O 2 O 2 O 2 Membran O 2 H 2 O CO 2 Poröse GDE ( Kapazität) Porengröße Porenverteilung Elektrolyt Stabilität gute Benetzung Li-Leitfähigkeit O 2 Löslichkeit Charge: x y/2 O 2 + n e - Li x O y η chg η dis Discharge: x y/2 O 2 + n e - Li x O y Katalysator ( Effizienz) Art Menge 14

15 Positive Elektrode: Gasdiffusionselektoden Poröses Kohlenstoff Material: U Graduiertes Porengefüge/Porosität Verbesserter Sauerstofftransport (und ) Lithium Separator / Electrolyte GDE O 2 Platzbedarf für Entladeprodukte (LiO x ) O2 Bsp: Simulation Porenverstopfung: [*] Einseitig offen Beidseitig offen [*] G. Girishkumar, B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson, W. Wilcke, J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1,

16 Potential vs. Li/ / V Positive Elektrode: Gasdiffusionselektoden Katalysatoren sputtered cobalt-platinum Verringerung der Überpotentiale Vermeidung kinetischer Hemmungen Verbesserung der Zelleffizienz O2. 2 atmosphere, Ladezyklus electrolyte: LiPF 6 /PC, j stat = 100 ma/cm 2 O 2 Atmosphäre 2nd discharge mit LiPF& 6 /PC, charge I=100 cycles ma/cm2 4,5 pure C: 4.7 V 4,0 3,5 4% MnO 2 /C: 4.3 V 13.5% Pt/C: 3.9 V U chg 3,0 2,5 U dis = 2.7 V C spec [mah/g carbon ] 16

17 Current [A] Current [A] Einfluss des Elektrolyten in Lithium Luft Batterien Elektrolyt Leitsalz Lösemittel Additive Anforderungen an den Elektrolyten: Hohe chemische Stabilität gegenüber Superoxide und Lithium. CV Messungen in O 2 Atmosphäre: Elektrolyt: LiPF 6 in PC Elektrolyt: LiTFSI in MeCN 1,0x10-4 2,0 V 4,5 V vs. Li/ 1,0x10-4 2,0 V 4,5 V vs. Li/ 0,0 0,0-1,0x ,0x ,0x ,0x U vs. Ag/AgCl [V] U vs. Ag/AgCl [V] Acetonitrile stabilere Elektrolyte! 17

18 In-situ Messtechnik In-situ Massenspektrometrie, Infrarotspektroskopie, Ramanspektroskopie Ziele: Analyse der chemischen und elektrochemischen Systemstabilität sowie mechanistische Aufklärung des Entlade- / Ladeprozesses 18

19 Zusammenfassung Aktuelle Batteriesysteme: LiB Systeme besitzen weiterhin hohes Entwicklungspotential hinsichtlich Kosten, Sicherheit, Leistung und Energiedichte (Gen I Gen II) Verbesserte und nachhaltige Marktattraktivität für EV allg. Akzeptanz Neue Batterietechnologie (Gen IV) Metall Luft System: Wichtig für große Reichweiten aber noch viele wissenschaftliche und technische Herausforderungen! 19

20 FhG Forschungslandschaft Allianz Batterien Chemical Technology ICT Ernst-Mach-Institute EMI Manufacturing Technology and Applied Materials Research IFAM Integrated Circuits IIS Ceramic Technologies and Systems IKTS Silicate Research ISC Systems and Innovation Research ISI Integrated Systems and Device Technology IISB Manufacturing Engineering and Automation IPA Silica Technology ISIT Solar Energy Systems ISE Systems and Innovation Research ISI Techno- und Industrial Mathematics ITWM Transportation and Infrastructure Systems IVI Mechanics of Materials IWM Material and Beam Technology ILT Structural Durability and System Reliability LBF Algorithms and Scientific Computing SCAI Oldenburg Bremen Oberhausen Duisburg Aachen Kaiserslautern Karlsruhe IPfinztal Freiburg Stuttgart Itzehoe IWürzburg Erlangen Potsdam Nürnberg München Berlin Dresden I 20

21 Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität Fahrzeugkonzepte / Demonstrator Frecc0 Batteriesystem Radnabenmotor Sportwagen-Chassis zur Integration von Batteriesystem u. Radnabenmotor 21 21

22 Forschungsfeld der IFAM Projektgruppe Elektrische Energiespeicher Zellchemie und Werkstoffe Fertigungsund Prozesstechnik Messtechnik und Analytik Simulation und Modellierung System- Integration Applikation Elektrische Energiespeicher : prototyp. Entwicklung wiederaufladbarer Metall/Luft-Batterien (auf Zellen- und Modul-Ebene) Prozess- und Fertigungstechnik der Komponenten Systemintegration neuer Speichertechniken 22

23 Parkallee 301 D Bremen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Marie-Curie-Straße 1 D Oldenburg 23