Aktuelle Entwicklungen in der Speichertechnologie

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1 Aktuelle Entwicklungen in der Speichertechnologie Ulrich S. Schubert Laboratory of Organic and Macromolecular Chemistry (IOMC) Center for Energy and Environmental Chemistry Jena (CEEC Jena) Friedrich-Schiller-University Jena, Germany Anforderungen an Energiespeicher I Intelligente Verpackung Erneuerbare Energien Biochips Dezentrale Energiespeicher Mobile Geräte Selected reviews: Adv. Mater. 2012, 24, 6397; Adv. Energy Mater. 2015, 5, ; Chem. Rev. 2016, 116,

2 Anforderungen an Energiespeicher II Skalierbare Speichersysteme Mobile (Dünnschicht-) Energiespeicher Benötigt werden: Grüne und nachhaltige Energiespeicher Peakshaving und Kurzzeitspeicher Geschichte der Batterie I Entwicklung der Akkumulatorchemie über die Jahre: Entwicklungen von Prozessoren über die Jahre: Moore s Law: Anzahl der Transistoren verdoppelt sich alle 2 Jahre Moore s Law existiert nicht für Batterien! Die Energiedichte von Akkumulatoren stieg um lediglich 3% jährlich während der vergangenen 60 Jahre M. Armand, J. M. Tarascon, Nature 2008, 451,

3 Geschichte der Batterie II Lack of good battery technologies slows down development of mobile devices: La jamais contente: 1899 Erstes Elektrofahrzeug schneller als 100 km/h. Bleiakkumulatoren 1920 Erste kabellose Kommunikation in Pennsylvania/USA. Bleiakkumulatoren >100 Jahre >70 Jahre Tesla Roadstar: 2006 Erstes in Serie gefertigtes Elektrofahrzeug schneller als 100 km/h. Lithiumionenakkumulatoren 1990er Kommerzielle Verbreitung von Mobiltelefonen. Ni-MH-, Lithiumionenakkumulatoren M. Armand, J. M. Tarascon, Nature 2008, 451, 652. Derzeitige Rohstoffe für Akkumulatoren Kobalt (Lithium) Blei Seltene Erden (Ni-MH) Vanadium (RFB) Nicht nachhaltig und giftig Forderung an Energiespeicher: Kapazität Sicherheit Nachhaltigkeit Skalierbarkeit 3

4 Anforderungen an Energiespeicher II Intelligente Verpackung Erneuerbare Energien Biochips Dezentrale Energiespeicher Mobile Geräte Selected reviews: Adv. Mater. 2012, 24, 6397; Adv. Energy Mater. 2015, 5, ; Chem. Rev. 2016, 116, Mobile Anwendungen Ê Hohe Energiedichte Ê Dünn & leicht Ê Mechanisch flexibel G. Jeong, Y.-U. Kim, H. Kim, Y.-J. Kim, H.-J. Sohn, Energy Environ. Sci. 2011, 4,

5 Dünnschichtbatterien Lithiumionenbatterien Organische Polymerbatterien Hohe Energiedichte Dünn & leicht Dünn & leicht Mechanisch flexibel S. Muench, A. Wild, C. Friebe, B. Häupler, T. Janoschka, U. S. Schubert, Chem. Rev. 2016, 116, Lithiumionenbatterien (LIB) Anode: Lithium eingelagert in Kohlenstoffmaterial Kathode: Lithiumionen eingelagert in Metalloxide Elektrolyt: Organische Lösungsmittel (wasserfrei!) mit Lithiumsalz P Hohe Energiedichte / niedriges Gewicht P Hohe Spannungen möglich ( 4 V) P Etablierte Technologie X Sicherheitsrisiken (Explosions- und Brandgefahr!) X Rohstoffprobleme (benötigt Lithium, Kobalt) X Entsorgung von Schwermetallen J.-M. Tarascon, M. Armand, Nature 2001, 414,

6 Aktuelle Entwicklungen der LIB Organische / polymere Einlagerungselektroden Ê Organische Verbindungen statt Metalloxiden P Verbesserte Nachhaltigkeit Polymerelektrolyte Ê Gelartige statt flüssiger Elektrolyte P Erhöhte Sicherheit durch verringerte Explosionsgefahr X Niedrigere Ströme möglich Natrium statt Lithium Ê Einsatz von Natriumsalzen und Natriumeinlagerungselektroden P Erhöhte Sicherheit und Nachhaltigkeit X Geringere Spannungen möglich K. Xu, Chem. Rev. 2014, 114, 11503; D. Larcher, J.-M. Tarascon, Nat. Chem. 2015, 7, 19. Die Lithium-Luft-Batterie Luftsauerstoff bildet das Aktivmaterial der positiven Elektrode Ê Drastisch erhöhte spezifische Kapazität Ê Keine Schwermetalle (z.b. Kobalt) notwendig B. Dunn, H. Kamath, J.-M. Tarascon, Science 2011, 334,

7 Polymere in Batterien Nobelpreis Chemie 2000: Für die Entdeckung und Entwicklung elektrisch leitfähiger Polymere H. Shirakawa, E. J. Louis, A. G. MacDiarmid, C. K. Chang, A. J. Heeger, Chem. Commun. 1977, 578. Organische/Polymere Systeme OLEDs/PLEDs/displays OPVs OFETs Sensors Memory

8 Energiespeicherung & Polymere? Polymere werden genutzt für Verpackungen, Gehäuse, Seperatoren, Elektrolyte, Gele, - aber nicht als Aktivmaterial Selected reviews: Adv. Mater. 2012, 24, 6397; Adv. Energy Mater. 2015, 5, ; Chem. Rev. 2016, 116, Organische Polymerbatterien Charging Discharging e - e - e - e - P Umweltfreundlich, nachhaltig und sicher R + + R + R R R + R R R - + P Verarbeitbar mittels klassischer Drucktechniken P Schnellladefähig und hohe Leistungen möglich p-type polymer n-type polymer p-type Polymer n-type Polymer P Anwendungsoptimierte Eigenschaften durch Anode/Kathode: Kompositelektrode aus organischem Polymer, leitfähigem Kohlenstoff und Binder Elektrolyt: Organische Lösungsmittel, Wasser mit Leitsalz (z.b. Kochsalz) maßgeschneiderte Materialien X Geringere Energiedichten X Verbesserungsfähige Langzeitstabilität S. Muench, A. Wild, C. Friebe, B. Häupler, T. Janoschka, U. S. Schubert, Chem. Rev. 2016, 116,

9 Aktuelle & zukünftige Herausforderungenen Kapazität Additive Spannung Stabilität Leistung/ Ladegeschwindigkeit Preis Verarbeitbarkeit/ Druckbarkeit Tinten & Pasten 18 Anforderungen an Energiespeicher III Intelligente Verpackung Erneuerbare Energien Biochips Dezentrale Energiespeicher Mobile Geräte Selected reviews: Adv. Mater. 2012, 24, 6397; Adv. Energy Mater. 2015, 5, ; Chem. Rev. 2016, 116,

10 Wachstum der Erneuerbaren Energien Electricity Generation in TWh Current data Photovoltaic Wind Energy Geothermal Energy Biomass Energy Water Power Prognosis Year Electricity Generation in MWh Photovoltaic Wind 6:00 12:00 18:00 24:00 Time of day Development of renewables Strong fluctuation of output European Renewable Energy Council: 45% bis 2030, Brüssel Mai 2011; European Energy Exchange AG. Erneuerbare Energien & Off-the-grid erfordert neue Batterietechnologien: Kostengünstig & skalierbar Nachhaltig Hohe Kapazitäten & geringe Reaktionszeit 10

11 A real big thing: Stationäre Speicher 250-megawatt-hour installation, sagt Musk, without naming the utility. That's 2,500 Powerpack towers. Derzeitige Ansätze / Produkte: Tesla Sonnenbatterie Daimler (Accumotive) Solarwatt Samsung Varta Storage LG Ausschließlich lithiumbasiert (inkl. Kobalt )!!! Fabrikation fast nur in Asien (zukünftig auch in Nevada) Stationäre Speichertechnologien Speichertyp Effizienz Selbstentladung Ladezyklen Reaktionszeit Capex* in / kwh 70 80% 0 0,5% pro Tag s 1000 Schwungrad 90 95% Bis zu 20% pro Stunde > < 1 s 1000 > 95% 2% pro Monat < 1 s Bleiakkumulator 80 90% 5% pro Monat < 1 s 200 Pumpspeicherkraftwerk Lithiumionenakkumulatoren Natrium- Schwefel-Akku Vanadium- Redox-Flow- Batterie 87% Vernachlässigbar 2500 < 1 s % Vernachlässigbar > < 1 s Wasserstoff 20 40% Bis zu 1% pro Tag n.a. Mehrere Minuten 1000 * Capex - Capital expenditure MVV Energie AG: Technology and Innovation, Frankfurt / February 28, 2013; JenaBatteries GmbH, Jena / October,

12 Natrium-Schwefel- & ZEBRA-Akkus Natrium-Schwefel-Akku ZEBRA-Akku P Hohe Energiedichten P Kostengünstige Materialien (Natrium, Schwefel, Al 2 O 3 ) P Na-S: Keine Schwermetalle P Hohe Ladestabilität X Hohe Betriebstemperaturen notwendig (250 bis 300 C) Ê Thermische Isolierung notwendig, Sicherheitsrisiko, erhöhter Materialverschleiß X Na-S: Schwefel bzw. Polysulfide sind stark korrosiv X. Lu, G. Xia, J. P. Lemmon, Z. Yang, J. Power Sources 2010, 195, 2431; C.-H. Dustmann, J. Power Sources 2004, 127, 85. Entwicklung des Na-S- & ZEBRA-Akkus Aktuelle Herausforderungen Niedrigtemperaturnatriumleiter für Mitteltemperaturzellen ( 150 C) Ê verbesserte Sicherheit Ê alternative (organische) Elektrodenmaterialien und Elektrolyte möglich Optimierung der keramischen Elektrolyt Elektrode-Grenzschicht Ê höhere elektrische Ströme möglich Entwurf alternativer (planarer) Zelldesigns Ê verbesserte Lade-/ Entladeperformance Ê reduzierte Kosten K. B. Hueso, M. Armand, T. Rojo, Energy Environ. Sci. 2013, 6,

13 Redox-Flow-Batterie (RFB) RFB: Die einzige Technologie, die die Leistung unabhängig von der Kapazität einstellen lässt! EnerVault Konventionelle RFBs Wasserzersetzung beschränkt die verfügbare Menge an anwendbaren Redoxpaaren Vanadiumbasierte RFB wurde am ausführlichsten studiert Z. Yang et al., Chem. Rev. 2011, 111, 3577; P. Leuna et al., RSC Adv. 2012, 2,

14 Vanadium-Redox-Flow-Batterien Status Quo Beschränkte Energiedichte (20 bis 40 Wh/l) Aktivmaterial: Vanadium in Schwefelsäure Nachteile Enges Temperaturfenster (Ausfallen von Vanadiumsalzen) Gefahr der Wasserstoffbildung (Betrieb bei > 40/45 C) Teure Materialien (metallbasiert!) Teure Spezialmembranen (z.b. Nafion TM ) Neuartige Polymer-RFB Eine Jenaer Erfindung Polymer wässriger Elektrolyt Nature 2015, 527, 78. Katholyttank H 2 O H 2 O Anolyttank H 2 O H 2 O P1 H 2 O P2 Elektrode Größenausschlussmembran Nachhaltig und einfach handhabbar: Der wasserbasierte Polymerelektrolyt ersetzt korrosive, saure, vanadiumbasierte Elektrolyte und ermöglicht den Einsatz billiger Membranen Möglicher Temperaturbereich 0 bis 70 C (ideal 5 bis 60 C) Germ. Pat. Appl DE A1, Eur. Pat. Appl. 2014, EP A1, PCT Int. Appl. 2014, WO A

15 Vorteile der Polymer-RFB Umweltfreundlich keine Schwermetalle keine gefährlichen Substanzen, wie Brom wasserbasiert Skalierbare Kapazität unbegrenzte Kapazität niedrige Rohstoffkosten Einfaches Membrandesign keine ionenselektive Membranen notwendig billige, industriell gefertigte Membranen Wieder aufladbar im Vorteil gegenüber Einweg -Brennstoffzellen prfb: Development overview & future /

16 Die größte Batterie der Welt EWE

17 EWE FAZ Wirtschaftswoche ( ) 17

18 Spiegel ( ) Development CEEC Jena 11/2015 (incl. lab2fab, transfer to industry) 1600 square meter labs/office, EUR 12 Mio. (funding from two foundations) Battery test labs (100 channels), ESR, electrochemistry/spectroelectrochemistry, upscaling, MAS-NMR, redox flow cell prototypes & solar cell panels, gloveboxes, Top floor: Start-up offices (200 square meter) StarDng winter semester 2015/16 new master program Chemisty energy environment New professorships & research groups (since 2012): Carbon Nanomaterials (Prof. Adelhelm), Applied Electrochemistry (Prof. Balducci), Printable Organic Solar Cells (PD Dr. Hoppe), Polymer Nanomaterials (Prof. Schacher), Molecular Nanotechnology (Prof. Turchanin), Glass Chemistry (Prof. Wondraczek), Molecular Photonics (Prof. Dietzek), Conjugated Polymers (Dr. Hager), 18

19 Development CEEC Jena: Masterplan CEEC Jena new Building II (2500 square meter labs/office), EUR 27 Mio. Evaluation and granted ( Wissenschaftsrat ) Planned application center (AWZ CEEC Jena) (EUR 10 Mio., 1600 square meter labs/office) Planned start-up center Start-up (incubator) AWZ CEEC II CEEC I JCSM Selected publications, spin-off, IP, people Positions for PhD students, Postdocs, visiting Adv. Mater. scientists, 2012, exchange 24, 6397 master students are available Spin-off (IQ Innovationspreis 2015): J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2012, 50, 1394 Adv. Energy Mater. 2013, 3, 1025 Macromol. Rapid Commun. 2014, 25, 882 J. Mater. Chem. A 2014, 2, 8999 Macromol. Rapid Commun. 2014, 35, 1367 J. Mater. Chem. A 2014, 2, Adv. Energy Mater. 2015, 5, , 34 J. Mater. Chem. A 2015, 3, 19575; Polymer 2015, 68, 328 Nature 2015, 527, 78; Polym. Chem. 2015, 6, 7801 Adv. Energy Mater. 2016, 6, Polym. Chem. 2016, 7, 1711; Nature 2016, 534, 1 (summary) Macromol. Rapid Commun. 2016, 37, 725 Adv. Mater. 2016, 28, 2238; Chem. Mater. 2016, 28, 3401 NPG Asia Mater. 2016, 8, e283; Chem. Rev. 2016, 116, 9438 ACS Energy Lett. 2016, 1, 976 Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, J. Power Sour. 2016, 335, 155; NPG Asia Mater. 2017, 9, e340 Tobias Janoschka, Dr. Bernhard Häupler, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 686 Dr. Daniel Schmidt, Dr. Andreas Wild, Energy Techn. 2017, 5, 225; ChemistryOpen 2017, 6, 216 Dr. Jan Winsberg, Tino Hagemann, Christian Adv. Energy Mater. 2017, 7, Stolze, Simon Münch, Philip Rohland, Kristin Top. Curr. Chem. 2017, 373, 19; ACS Energy Lett. 2017, 2, 411 Schreyer, Maria Strumpf, René Burges, Electrochim. Acta 2017, 228, Dr. Christian Friebe, Dr. Alexandra Lex-Balducci, PCT/EP2013/002206; WO , WO , PCT/ Dr. Martin Hager EP2015/056497; PCT/EP2015/ Italic: Left to industry. In blue color: Redox-flow-battery publications. 19