Elektromobilität Batterie und Speichertechnik. Dr. Falko Schappacher Düsseldorf, 29. November 2016

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2 Elektromobilität Batterie und Speichertechnik Dr. Falko Schappacher Düsseldorf, 29. November 2016

3 Das MEET Batterieforschungszentrum Daten und Fakten Startschuss im September 2009 Einzug in die MEET-Arkaden Anfang 2011 Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster seit Mai 2013 Excellent Battery Cluster des BMBF Kompetenzzentrum Batterie des Landes NRW seit 2011 Ort des Fortschritts des Landes NRW (MIWF) Germany at its Best des Landes NRW (MWEIMH) Batteriespezifische Labormehrausstattung gefördert durch die Europäische Union Internationalität Rund 130 Mitarbeiter/-innen aus über 10 Nationen, 30% Mitarbeiterinnen Brücke von der Wissenschaft zur Industrie

4 Unsere Forschungsschwerpunkte Elektrochemische Energiespeicher Lithium-Ionen-Batterien Superkondensatoren (inkl. Lithium-Ionen-Kondensatoren) Batterien der nächsten Generation (z.b. Lithium-Metall-Systeme)

5 Fokus am MEET: Forschungs- und Kompetenzfelder BOARD OF DIRECTORS Scientific Leadership: Prof. Dr. Martin Winter // Management: Dr. Falko Schappacher Project Management and MEET Administration: Dr. Adrienne Hammerschmidt Division Cell System Division Analytics & Environment Division Selected Materials Cell & Cell Design Electrolyte Aging Anode Aging Recycling & Second Life Non-ceramic Cathodes Safety Toxicity Investigations Inactive Materials Joint Groups Ceramic Cathodes Next Generation Electrolyte

6 Wertschöpfungskette der Batterie Materialien Komponenten Zellen Batterien (+ Managementsystem) Systemintegration & Anwendung Elektrochemie & Prozessentwicklung Fokus am MEET Kooperation Technische Universitäten

7 Das MEET auf einen Blick Wissenschaftliches und technologisches Know-How Hochmoderne Laborausstattung Internationalität Weltweites Netzwerk mit Forschungsinstituten Universitäten Industriepartnern aus der Chemie-, Energie- und Automobilbranche MEET WHERE SCIENCE MEETS INDUSTRY

8 Anwendungsfelder der Lithium-Ionen Batterie Tom Hanisch / Fotolia.com

9 Lithium-Ionen Batterien in der Elektromobilität

10 Elektromobilität: Was treibt die Automobilindustrie an? Die EU hat verbindliche Ziele für 2020 gesetzt ( Targets): Reduktion der CO 2 -Emissionen um 20%* Reduktion des Primärenergieverbrauchs um 20%* Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien um 20%* Ein neues Ziel für erneuerbare Energien für 2030 mindestens 27%* des Energieverbrauchs * Im Vergleich zum Jahr

11 Regularien: CO 2 Emissionen EU-27 (2010) 4.72 Mrd. Tonnen CO 2 in der EU-27 (2010) Unterschiedliche Entwicklung der Emissionen in den unterschiedlichen Bereichen Industrie und Produktion profitieren von der Osterweiterung der EU (Modernisierung) 11% 10% 3% 7% EU-27 Emission (2010) 30% Public provision of electricity and heat, fuel production Industry Road traffic Agriculture Transport profitiert nicht: Zunahme des Frachtverkehrs 20% Private households 19% Zunahme des Personenverkehrs Garbage Signifikanter Anstieg der CO 2 - Emissionem in Bereich Transport Quelle: United Nations Framework Convention on Climate Change

12 Regularien: EU Grenzwerte CO 2 (Automotive) OEM spezifische Grenzwerte hängen von 4 Faktoren ab Source: Thomas Puls, CO 2 -Regulierung für PKW Europäischer Flottengrenzwert 130 g CO 2 /km Durchschnittsgewicht der verkauften Fahrzeuge des OEM Durchschnittsgewicht der Fahrzeuge die zwischen 2008 und 2010 in der EU27 verkauft wurden (1.375 kg) Gewichtungsfaktor: Definiert den Anstieg der CO 2 -Emission mit ansteigendem Gewicht DPA

13 Regularien: EU Grenzwerte für CO 2 (Automotive) Grenzwerte 2015/ g CO 2 /km für einen PKW (2015) 175 g CO 2 /km für leichte Nutzfahrzeuge (2017) Grenzwerte ab 2020/ g CO 2 /km für einen PKW (2021) 147 g CO 2 /km für leichte Nutzfahrzeuge (2020) Supercredits (nur gewährt in ) Mehrfache Anrechnung von Fahrzeugen mit < 50 g CO 2 /km (EV, PHEV, ) OEM kann Fahrzeuge mit höherem Verbrauch anbieten, wenn er genug Supercredits hat : Faktor : Faktor 1, : Faktor 1,33 ab 2023: Faktor 1 Eco-Innovationen Technische Innovationen die direkt mit dem Fahrzeug verknüpft sind (z.b. energisparendes Beleuchtungssystem, Solardach) führen zu einem Kredit von 7 g CO 2 /km für den Hersteller. switchvehicles.com

14 Regularien: EU Grenzwerte Ein Beispiel OEM verkauft 1.1 Mio. Einheiten von Model A (1.200 kg; 120 g CO 2 /km) und 0.9 Mio. Einheiten von Model B (1.500kg, 150 g CO 2 /km). Der OEM-spezifische CO 2 Grenzwert für 2015 ist: CO 2(specific) = 130 g CO 2 km kg kg 1.372kg Der CO 2 Emissionswert der OEM Flotte ist: CO 2(OEM) = Gewichtungsfaktor g CO 2 /km g CO 2 /km = g CO 22 km Die Geldstrafen für den OEM würden sich belaufen auf (2018): 5 für das erste Gramm 15 für das zweite Gramm 25 für das dritte Gramm 95 für das vierte Gramm und mehr Die CO 2 Emission der OEM Flotte ist 5.2g über dem spezifischen Grenzwert von g CO 2 /km: = g CO 22 km Durchschnittsgewicht Strafe (2018) = g CO 2 km g CO 2 km g CO 2 km g CO 2 95 = Mio. km Die Geldstrafe in 2019 wäre: g CO 2 95 = Mio. km Quelle: Thomas Puls, CO 2 -Regulierung für PKW

15 Die Elektrifizierung des Antriebstranges Antriebskonzept Verbrennungsmotoren (Otto/Diesel) Hybrid Voll elektrisch (lokal emissionsfrei) Stop/ Start Mild Full Plug-in Plug-in Fuel Batterie parallel serial cell (BSG*) (Range ext.) 100% Elektrifizierungsgrad 0% *BSG: Belt-driven starter generator

16 Effiziente Speicherung und Nutzung von Elektrizität ist der Schlüssel Elektrizität: Input, Speicherung & Output Source: Ulf Bossel Reykjavik

17 Was ist mit den Brennstoffzellen?

18 Vorteile der Lithium-Ionen-Batterie Derzeit die beste, verfügbare, elektrochemische Speichertechnologie Hoher Wirkungsgrad zwischen Ein- und Ausspeicherung (95%) Niedrige Selbstentladung Hohe Ein- und Ausspeicherdynamik (wichtig zur Ausregelung von Bilanzkreisen) Electric Vehicle Wh Hohe Energiedichte geringes Bauvolumen Wartungsarm Modular skalierbar Laptop/Powertool 6-10 Wh Hybrid Electric Vehicle Wh Mobile Phone 2-3 Wh

19 Wertschöpfungskette der Lithium- Ionen Batterie Materialien Komponenten Zelle Modul Batterie Anwendung 2nd Life Recycling Graphite Metaloxide Polymerbinder Active Carbon Cu / Al Folien Elektrolyte (Lösungsmittel, Salze, Additive) Anoden Kathoden Separatoren Elektrolyte Verbinder Packaging Tabs Zylindrische Zellen Pouch Zellen Prismatische Zellen BMS Verbinder Kühlung BMS Module Verbinder Leistungselektronik Kühlung HEV, EV Industrielle Anwendung Netzanwendun gen Ladeinfrastruktur Batteriewiederaufarbeitung und Verwendung für stationäre Applikationen Deasseblierung und Recycling der Komponenten

20 Marktentwicklung Weltweit Pack cell, cell assembly, BMS, connectors Power electronics (DC DC converters, invertors, ) not included Source: C. Pillot at Batteries 2014, September 24-26, 2014, Nice, France

21 Batteriemarkt Source: C. Pillot at Batteries 2014, September 24-26, 2014, Nice, France

22 Marktvolumen GWh Grid Phones Tablets Notebooks Power Tools Bikes Starter HEV PHEV EV Source: Avicenne 2011 and MEET

23 Die Preise liegen von Anfang an unter den Kosten Wer hat den längsten Atem? Price /kwh Pack Best Price /kwh Pack Soruce:

24 Entwicklung von Kosten und Energiedichte (Forecast by P3) Soruce:

25 Ist eine Reichweite von 1000 km möglich? Blei-Säure 30 Wh/kg kg Ni-MeH 80 Wh/kg kg LIB (Heute) 150 Wh/kg kg LIB (Zukunft) >200 Wh/kg <900 kg 'Super-Batterie' 1500 Wh/kg 120 kg

26 Das Gipfelrennen: Wer wird erster?

27 Lithium-Ion Batterie Lithium-Ion Batterie

28 Spezifische Energie [Wh/kg] und Energiedichte [Wh/L] Spezifische Energie und Energiedichte Separator Theoretische specifische Energy Wh kg Theoretische Energiedichte Wh L = Kapazität Ah Zellspannung [V] = Masse (Aktivematerial) [kg] Kapazität Ah Zellspannung [V] Volumen (Aktivematerial) [L] Zusätzliche Massen und Volumina Zellebene: Elektrolyte, Separator, Stromsammler, Gehäuse, etc. Batterysystemebene: Gehäuse, Verbinder, BMS, Kühlung, etc. Energiedichte in der Praxis << Theoretische Energiedichte

29 Von der Zelle zum System: Li/O 2 Zusätzliche Komponenten für eine Li/O 2 -Zelle: Luftversorgung: Luftfilter Kompressor Purifier (CO 2, H 2 O-Entfernung) Strömungskanäle für Gastransport Lösungsmittelfalle Thermisches Management O 2 Druckbehälter (für geschlossene Systeme)

30 Von der Zelle zum System : Li/S Beispiel: Schwefel-Kathode Berücksichtigung von Leitzusätzen und Porosität wt.-% Leitruß wird für Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit des Reaktionsproduktes Li 2 S benötigt Eine Porosität von 30 % wird für adäquate Elektrolytbenetzung benötigt Geringere Energiedichte in einer Zelle

31 Lithium Ionen und Lithium Metall: State of the Art Potential vs. Li/Li + / V Cathode materials (Lithium/Lithium-Ion) "5V" "4V" "3V" Graphite Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) Carbon based LiMn 2 O 4 (LMO) LiCoO 2, Li[Ni x Co y Mn z ]O 2 (NMC), Li[Ni 0,8 Co 0,15 Al 0,05 ]O 2 (NCA) LiFePO 4 (LFP) e.g.: MnO 2 Anode materials (Lithium/Lithium-Ion) Capacity / Ah kg -1 Lithium- Metal

32 Lithium Ionen und Lithium Metall: Entwicklungspotential Potential vs. Li/Li + / V Cathode materials (Lithium/Lithium-Ion) "5V" "4V" "3V" Graphite x Li 2 MnO 3 /(1-x)LiMO 2 (M= Mn, Ni, Co) LiNi 0,5 Mn 1,5 O 2 LiCoPO 4 LiMnPO 4 Li 2 FeSiO 4, organic Cathodes Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) Carbon based Sn-C- Tin Composite (Sn) Anode materials (Lithium/Lithium-Ion) Metal oxides (Conversion materials) Si-C-Composite Capacity / Ah kg -1 Silicon (Si) Lithium- Metal

33 Lithium Ionen: Volumetrische Kapazitäten* Potential vs. Li/Li + / V Cathode materials (Lithium-Ion, LIB) 5V LiNi 0,5 Mn 1,5 O 2 LiCoPO 4 4V LiMn 2 O 4, LiCoO 2, Li[Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ]O 2 (NMC), Li[Ni 0,8 Co 0,15 Al 0,05 ]O 2 (NCA) LiFePO 4 (LFP) Anode materials (Lithium/Lithium-Ion) Carbon based Graphite Li 4 Ti 5 O 12 Si-C & Sn-C Composite Silicon(Si), Tin (Sn) Lithium- Metall Capacity / Ah L -1 * based on density of active material

34 Lithium-Ionen and Post-Lithium-Ionen: Volumetrische Kapazitiäten* Potential vs. Li/Li + / V Cathode materials (Lithium-Ion, LIB) 5V Cathode materials (Post-Lithium-Ion, PLIB) 4V O 2 (Li 2 O 2 ) Anode materials (Lithium/Lithium-Ion) S (Li 2 S) Carbon based Graphite Li 4 Ti 5 O 12 Si-C & Sn-C Composite Silicon(Si), Tin (Sn) Lithium- Metall Capacity / Ah L -1 * based on density of active material

35 Anoden- und Kathodenmaterialien: Volumetrische Kapazitäten* 6 Potential vs. Li/Li + / V Porosity/CA: 30% Li 2 O 2 in C (50%) Si-Content: 20% and Porosity (30%) Lithium- Metall /4 HE-NMC Si/C O 2 (Li 2 O 2 ) GDE, Porosity: 65-70% Porosity:30% Si Capacity / Ah L -1 S-Content:60-65% Lithium- Metal S (Li 2 S) * Basierend auf Dichte Aktivmaterial

36 Lithium-Ionen vs. Post-Lithium-Ionen: Energiedichte

37 Spezifische Energie / Energiedichte LIB vs. PLIB Specific energy / Wh(total) / kg (Cell level) Specific energy / Wh (total) / kg (System level) Energy density / Wh (total) / L (Cell level) Energy density / Wh (total) / L (System level) LIB LIB optimistic* Li / Sulfur optimistic* Li-Ionen Systeme haben das Potential für Steigerung der gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte um den Faktor ~ 2 Li / O 2 optimistic* Systemlevel-Analysen des Li/S und Li/O 2 Systems deutet auf vergleichbare gravimetrische Energiedichten, jedoch auf signifikant geringere volumetrische Energiedichten für PLIBs vs. optimierte LIBs Systemlevel-Analysen des Li/O 2 Systes keine großen Vorteile mit Blick auf gravimetrische Energiedichten und signifikante Nachteile mit Blick auf volumetrische Energiedichten *Presumption: Li-Metal [1] T. Greszler, Beyond Lithium Ion 5, Berkeley, CA 2012.

38 Die Zukunft liegt in besseren Materialien E = C V HV-Li Li-reich Nahe Zukunft 2050 Stand der Technik 2025

39 Ladeinfrastruktur Tom Hanisch / Fotolia.com

40 Vergleich Markthochlauf E-Fahrzeuge und öffentlich zugänglicher Ladepunkte Quelle: Statusbericht Nationale Plattform Elektromobilität AG3, 2015

41 Verteilung der Ladeinfrastruktur in Deutschland Quelle: Statusbericht Nationale Plattform Elektromobilität AG3, 2015

42 Situation 2015 Mitte 2015 rund E-Fahrzeuge (mit externer Lademöglichkeit) Ladepunkte an öffentlich zugänglichen Ladesäulen Wachstumsraten bei den Fahrzeugen höher als bei den Ladepunkten Der Ausbau der Ladepunkte verlangsamt sich auf Grund fehlender Wirtschaftlichkeit durch geringe Auslastung

43 Die Chancen der Lithium-Ionen-Batterie Elektronische Kleingeräte LEV, Power Tools, Utilities Automobilsektor Stationäre Speicherung Marktgröße Batterien 2 bn (2006) medium 1,5 bn (2010) groß sehr groß Markteinführung 1990 durch Sony Serienstart Realisierbarkeit nachzuweisen Momentane Batterietechnologie Li-Ion Li-Ion NiMH, Li-Ion Blei, zunehmend Redox Chancen für Deutschland keine relativ klein gut bis sehr gut sehr gut Typische Batteriegrößen (kwh) 0,001 0,1 0,

44 Kontakt Westfälische Wilhelms-Universität MEET Batterieforschungszentrum Corrensstr Münster Tel.: Fax: Prof. Dr. Martin Winter Dr. Falko Schappacher Dr. Adrienne Hammerschmidt

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