E-mobil mit Lithium Ionen Batteriesystemen NeuLIBE - Neuartige Lithium Ionen Batterien

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1 E-mobil mit Lithium Ionen Batteriesystemen NeuLIBE - Neuartige Lithium Ionen Batterien

2 Die Geschichte des Akkumulators 1791 Froschenkelbatterie Luigi Galvani 1800 Voltasche Säule Alessandro Cont de Volta 1859 Bleiakku Sinsteden and Planté 1933 geschlossenerr NiCd-Akkumulator Dassler 1990 NiMH-Akkumulator Sanyo 1991 Lithium-Ionen-Akkumulator Sony

3 Markt und Marktchancen x 300 x x

4 Lack of Fossil Fuels Today Lack of Lithium Tomorrow? 2.4 Billion x 2010: 23 MT Lithium : 13 MT Lithium. 80 % of global Lithium reserves are accounted by South America Lithium and Lithium Ion Batteries are recyclable!!!

5 EV- Tesla Roadster Kenndaten Batterie 6831 Zellen Typ kwh bei 400 V Speicherkapazität Zyklenstabilität 500 (80% der Anfangskap.) = km Ladezeit: : 1 Std. (80%) Entspricht 67 kg Kobalt für die BATTERIE eines Tesla Roadster Für PKW s Tonnen Kobalt

6 Availability of Resources Tonnes % Tonnes % Tonnes % (396 Y 2 ) Iron Nickel Tonnes % (31 Y 2 ) 1 for 1 million Tesla Roadstar 2 based on commercial available resources Tonnes % (40 Y 2 ) Tonnes % (123 Y 2 )

7 Die Lithium Ionen Batterie Lithium Ionen wandern zwischen zwei redoxaktiven Wirtsmaterialien (Anode / Kathode) Wirtsmaterialien müssen zur Aufnahme und Abgabe von Lithium Ionen befähigt sein Entscheidende Kriterien für Wirtsmaterialien sind deren Kapazität Redoxpotential Reversibilität Markteinführung 1991 (Sony), Typ 18650: 1,0 Ah ; 10 US-$, Akkumulator Sony ist seit 2000 Technologieführer im wiederaufladbaren Kleinformat-Markt 2008:10 große Hersteller, > 7,2 Milliarden US$ Umsatz, Typ 18650: 2,6 Ah 2 US$

8 Anoden und Kathoden Wirtsmaterialien State of the Art und zukünftige Kandidaten Energie = Spannung x Kapazität Anodenmaterialien sind hinsichtlich des Potentials limitiert (nahe dem Potential von metallischen Lithium) Kathodenmaterialien hinsichtlich der Kapazität (Übergangsmetalle mit hohem Molekulargewicht)

9 Neue Materialien Neue Perspektiven Spezifische Energien zukünftiger Systeme Spezifische Energie (Theroretische Zelle) / Whkg -1 = Kapazität [Ah] * Spannung [V] Aktivmasse Anode + Aktivmasse Kathode [kg] Spec. Charge / Ahkg kg -1 Anode Cathode Capacity Ratio: Anode:Cathode Spec. Energy Whkg -1 Improvement in Spec. Energy Graphite (372) Silicon (4200) Graphite (372) Silicon/ Graphite (800) Lithium (3862) Lithium cobalt oxide (137) Lithium cobalt oxide (137) Li-Mixed Mixed-Layered Layered- Oxides (200) Li-Mixed Mixed-Layered Layered- Oxides (200) Oxygen (3350) 2.72 : V Standard 30.7 : V + 29% 1.86 : V + 37% 4.00 : V + 65% 1.15 : V THE ULTIMATE GOAL!!!

10 Alternative Materialien zu Graphit - Lithiumspeichermetalle Reversible Bildung von Intermetallischen Phasen mit Lithium Laden Entladen Li x M M + x Li + + x e Lithium-Speichermetalle werden in Analogie zu Graphit im entladenen Zustand verwendet SEI Bildung findet bei der Formierung statt He B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ladungsdichten: LiC 6 : 759 Ah/L LiAl: 1.8 x höher Li 3 Sb: 2.5 x höher Li 22 Sn 5 : 2.7 x höher Li 22 Si 5 : 3.1 x höher

11 Lithiumspeichermetalle, hohe Kapazität aber auch hohe Volumensausdehnung!!! Charge normalized volume / cm 3 (Ah) Ladung zu Volumenverhältnis von Lithium-Speichermaterialien - unlithiiert (vordere Säulen) und lithiiert (hintere Säulen) LiC 6 LiAl Li 22 Si 5 Li 22 Sn 5 Li 3 Sb Li C Al Si Sn Sb Volumensausdehnungen: rasche Verluste von Zellkapazität durch Kontaktierungsverluste von Aktivmaterial Dimensionale Instabilität verringern: strukturelle Maßnahmen am Aktivmaterial

12 Strukturelle Maßnahmen zur Verbesserung der Zyklisierbarkeit Going Nano Kleine absolute Volumenänderung trotz gleicher relativer Volumenänderung Komposit Elektroden Einbettung der reaktiven Phase in eine dimensional stabile Matrix Beispiele: Sn/SnSb (TU Graz 1993) Sn-Co-C hybrid anode (Sony 2005) Si/carbon composites (Kommerzialisierung ist ein bedeutendes Forschungsziel der Varta Micro Innovation)

13 Strukturelle Maßnahmen zur Verbesserung der Zyklisierbarkeit Dreidimensionaler Stromableiter Mechanische Stabilisierung des Aktivmaterials während des Lade/Entladevorganges Vorteile: REM Aufnahmen eines 3-dimensionalen Stromableiters in einer Elektrode -Große Kontaktfläche zwischen Aktivmaterial und Stromableiter verbesserte Elektrodenkinetik / Schnellladefähigkeit -Verringerter Kontaktverlust bei mechanischer Degradation der Elektrode durch teilweise Einbettung des Aktivmaterials verringerter Aktivmaterialverlust verringerter Kapazitätsverlust verbesserte Zyklenlebensdauer

14 NeuLIBE Neuartige Lithium Ionen Batterien durch fortgeschrittene Galvanisierungstechniken entstehen metallisierte Polymervliese, deren Oberflächenbeschaffenheit gegenüber kommerziellen Stromsammlerfolien wesentliche Vorteile bieten Reduktion des Einsatzes an Kupfer / Aluminium Volle Ausnutzung des Vorteiles des leichten polymeren Kerns eines Vlieses (Gewichtsreduktion) Schaffung einer designten Oberfläche durch Wechselstromabscheidung Schaffung einer vergrößerten Austauschfläche für Elektronen und Gewährleistung einer verbesserte mechanische Stabilität der Elektrode (vor allem wichtig bei Si - passierenden Elektroden)

15 NeuLIBE Neuartige Lithium Ionen Batterien REMREM-Aufnahmen eines 3D-Stromsammlers (links, x500) 500) und einer einzelnen Faser des Stromsammlers (rechts, x3000) 3000) Polymerer Kern Metallisierte Außenschicht Design einer definierten Oberfläche durch Pulsstromabscheidung REM3D-Stromsammlers dessen REM-Aufnahmen eines Oberfläche mittels Pulsstromabscheidung vergrößert wurde (links, x200, 200, rechts, x1500) 1500)

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 3_

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