Lithium-Akkumulatoren Anwendungsgebiete von Lithium Quelle: acatech 2012 1 von 30
Themenbereiche Grundlagen -Lithium -Einsatz/Aufbau von Lithium-Batterien -Funktion Lithium-Ionen-Akku -Übersicht elektrochemische -Klassifizierung wiederaufladbarer Lithiumsysteme -Übersicht/Vergleich Kathoden- und Anoden-Materialien -Energiedichte/Anforderungen an Akkus -Wirtschaftlichkeit Sicherheit -Typischer Arbeitsbereich -Sicherheitskritische Pfade -Kurz-Checkliste/Sicherheitsleitfaden Stand der Technik -Recycling Fazit -Automobilität -Home-Speicher 2 von 30
Grundlagen Lithium (Li) Lithium ist ein Leichtmetall und besitzt die kleinste Dichte der unter Standardbedingungen festen Elemente Lithium kommt in der Natur aufgrund seiner hohen Reaktivität nicht elementar vor Lithium kommt gebunden in einigen Mineralien in Westaustralien, Kanada und Russland vor Lithiumsalze, insbesondere Lithiumchlorid, kommen in den meist Salzseen vor (Chile, Bolivien, Argentinien und China) Da Lithium ein sehr niedriges Normalpotential (-3,04 V) besitzt, kann es in Batterien als Anode verwendet werden. Lithium-Batterien haben eine hohe Energiedichte und können eine besonders hohe Spannung erzeugen 3 von 30
Grundlagen Einsatz von Lithium-Batterien Lithium-Batterien und Lithium-Akkus werden u.a. in Notebooks, Handys, Uhren, Kameras, Taschenrechnern, Speicherchips oder medizinischen Geräte verwendet Dabei gibt es sowohl nicht wiederaufladbare Lithium- Batterien als auch wiederaufladbare Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus Mit dem rapiden Wachstum von Geräten der Informationstechnik, stationärer Speicher und der Elektromobilität wächst auch der Bedarf an Lithium-Akkus 4 von 30
Grundlagen Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle positive Elektrode: LiCoO 2 ; negative Elektrode: Li-Graphit Quelle: [wikipedia] 5 von 30
Funktion Lithium-Ionen-Akku Quelle: [BASF] 6 von 30
Übersicht elektrochemische 7 von 30
Klassifizierung wiederaufladbarer Lithiumsysteme Quelle: [WOH07] 8 von 30
Übersicht Kathoden- und Anoden-Materialien Quelle: Fa. LIACON 9 von 30
Material-Energiedichte Material Energiedichte (Wh/kg) Verfügbarkeit LiCoO2 (Lithium-Kobalt) 110 bis zu 190 LiPo oder LiPoly(Lithium-Polymer-Akku) 140 bis zu 180 LTO (Lithium-Titanat) 70 bis zu 90 LiMnO2 (Lithium-Mangan) 110 bis zu 130 LiFePO4 (Lithium-Eisenphosphat) 90 bis 110 Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulator ca. 1100 ab 2025? Lithium-Luft-Akkumulator ca. 1000 ab 2030? Lithium-Ionen-Akku Materialien mit Kapazitäten Quelle: Fa. LIACON 10 von 30
Vergleich Kathoden- und Anoden-Materialien SEI=Solid Electrolyte Interphase = Schichtbildung an Elektrode als Reaktion auf Elektrolyt Quelle: Fa. LIACON 11 von 30
Lithium-Anode: Graphit <> Titanat (Vorteile) Stärkere chemische Bindung des Lithiums verhindert die Bildung einer Oberflächenschicht auf der Elektrode (SEI) Alterung verlangsamt und die Anzahl der Ladezyklen drastisch wird erhöht, Zyklen-Festigkeit von 10.000 bis 20.000 Ladevorgängen LTO-Zellen sind für ihre Schnellladefähigkeit bekannt, in zehn Minuten nahezu vollständig aufgeladen Hohe Resistenz: Überladung, Tiefentladung, mechanische Beschädigung oder Kurzschluss Keine Brandbildung, LTO-Zellen gelten daher als besonders sicher Arbeitsbereiche: LTOs bei Temperaturen zwischen -50 und +75 Grad, herkömmlichen Li-Akkumulatoren zwischen 0 und +60 Grad Celsius 12 von 30
Lithium-Anode: Graphit <> Titanat (Nachteile) Die Energiedichte weit unter derjenigen anderer Lithium- Akkutypen, was bei gleichgroßen Bauformen zu einer deutlich niedrigeren Ausdauer der damit betriebenen Geräte führt Arbeitsspannung mit nur 2 bis 2,5 Volt recht niedrig, was für manches Gerät schlicht zu wenig ist Auch der extrem hohe Preis verhindert noch einen echten Durchbruch der LTO-Akkus Hohe Resistenz: Überladung, Tiefentladung, mechanische Beschädigung oder Kurzschluss Keine Brandbildung, LTO-Zellen gelten daher als besonders sicher 13 von 30
Energiedichte Energie/Volumen bzw. Energie/Gewicht Quelle: wikipedia 14 von 30
Anforderungen an Akkus Sicherheit (UN38.3, DIN EN 62619, 61427, 62620, 50272) Zykellebensdauer (Mobilität/Stationär) Kalendarische Lebensdauer (inc. Lagerung) Energiedichte (Energiemenge kwh/kg bzw. kwh/l) Leistungsdichte (Volumen (W/l) oder Masse (W/kg)) Temperaturbereich (-50 bis 75 Grad) Entladetiefe (depth of discharge, DOD) Kosten (Euro/kWh) Geometrie (rund/prismatisch) Sonderanforderungen 15 von 30
Wirtschaftlichkeit + Hohe Lebensdauer (kalendarisch und Zyklen) + Hohe Entladetiefe (DOD) = Sind die Schlüsselgrößen für die Optimierung der Wirtschaftlichkeit einer Investition in Speicher! Quelle: Fa. LIACON 16 von 30
Recycling Um zukünftige Engpässe bei Kobalt, Nickel und Lithium zu vermeiden, ist ein Recycling von Lithium-Ionen-Akkus zwingend notwendig Die Wertstoffe Kobalt, Nickel, Kupfer und Aluminium sind dabei für die Prozessökonomie und Prozessökologie besonders attraktiv, Lithium muss jedoch mittelfristig zusätzlich recycelt werden, um langfristig Engpässe zu vermeiden Dabei muss das spezielle Gefahrpotential von Lithium- Ionen-Batterien immer beachtet werden. Elektrische, chemische, Brand- Gefahren und deren Wechselwirkungen müssen im Recycling von Lithium-Ionen-Batterien beachtet und prozesstechnisch vermieden werden 17 von 30
Sicherheit Quelle: www.kit.edu 18 von 30
Sicherheit Quelle: Reiner KorthauerHrsg 19 von 30
Sicherheit Kurz-Checkliste für Li-Ionen-Heimspeicher Technische Merkmale Punktzahl 2 elektro-mechanische, stromlos offene Gleichstrom-Relais zur redundanten Abschaltung der Batterie 50 Über- und Unterspannungsüberwachung auf Zellebene mit redundanter Auslösung der Batterieabschaltung 10 Einzelzelltemperaturüberwachung an jeder Zelle oder Current Interrupt-Device (CID) in jeder Zelle 20 Sicherer Schutz vor einer Wiederinbetriebnahme nach Tiefentladung oder anderer signifikanter Schädigung der Batterie 20 Keine ungesicherte, direkte Parallelschaltung von Zellen ohne Current Interrupt Device (CID) in jeder Zelle 10 Aktive Stromregelung als Funktion von Zellspannung und Zelltemperatur 20 Metallisches, geschlossenes Batteriegehäuse, alternativ geschlossener Metallbatterieschrank 10 Transport-Tests nach UN38.3 für das Batteriesystem bzw. für ein Batteriemodul 10 Wenn die Gesamtpunktzahl kleiner ist als 110, sollte das System detaillierter geprüft werden. Quelle: www.kit.edu 20 von 30
Sicherheit SICHERHEITSLEITFADEN/CHECKLISTE Li-Ionen-Hausspeicher Sicherheitsleitfaden Li-Ionen Hausspeicher Checkliste Li-Ionen-Hausspeicher Li-Ionen Checkliste 21 von 30
Stand der Technik TESLA Powerwall/Mobilität 7 kwh-batterie (stationärer Speicher) Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) ca. 5.000 Zyklen (ca. 13 Jahre) Preis ca. 350-500 $/kwh 75/85 kwh-batterie (Automotiv) Nickel-Kobalt-Aluminium (LiNiCoAlO2) ca. 1.000 bis 1.500 Zyklen Preis ca. 350 $/kwh 35 Gigawattstunden (GWh)/a Endausbau 2020 22 von 30
Stand der Technik TESLA-Mobilität Tesla nutzt Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid als Kathodenmaterial Es ist viel zu kurz gegriffen, wenn in der Presse von billigen Laptop-Akkus die Rede ist Die Akkus werden in Zusammenarbeit mit Panasonic speziell für Tesla modifiziert und haben außer ihrer Bauform nichts mit Laptop-Akkus zu tun Von diesen Zellen hat der 85-kWh-Akku im Model S 7.104 Stück Die Zellen haben jeweils eine Spannung von 3.7 V und liefern 3,1 Ah Quelle:www.peak-oil.com 23 von 30
Aktuelle Entwicklungen Neue Entwicklungen Li-Schwefel-Batterie als disruptive Entwicklung sowie die Li-Hochvoltbatterie als evolutionäre Entwicklung Die Li-Luft-Batterie könne der Elektromobilität in ferner Zukunft (jenseits des Jahres 2030) zu einem breiten Durchbruch verhelfen 24 von 30
Aktuelle Entwicklungen Stationäre Batteriespeicher LichtBlick bindet Tesla-Batterien in die Energiemärkte ein -LichtBlick vernetzt lokale Batterien zu einem leistungsstarken SchwarmStrom-Speicher (Rollout 2016, Preis ca. 400 /kwh) Die meisten Haushalte verbraucht mehr Strom am Morgen und am Abend, als während des Tages, wenn reichlich Sonnenenergie vorhanden ist. Ohne ein Batteriespeicher wird die überschüssige Solarenergie oft an die Energieversorgungsunternehmen verkauft und abends zurück gekauft. Dieses Missverhältnis steigert die Nachfrage nach Kraftwerken und erhöht die CO 2 -Emissionen. 24 von 30
Aktuelle Entwicklungen Stationäre Batteriespeicher -Fa. Aquion Energy liefert Batteriespeicher -Die Natriumionen-Batterie besteht aus einem Salzwasserelektrolyt, einer Kohlenstoffverbundstoff-Anode, einer Manganoxid-Kathode und einem Batterieseparator aus synthetischer Baumwolle. Die Batterie enthält weder Schwermetalle noch giftige Chemikalien und ist weder brennbar noch explosiv -Preis ca. 800 /kwh inc. WR ohne Montage Der Grundgedanke bei der Entwicklung einer Natrium Ionen Batterie ist das Ersetzen des Lithium in einer Li-Zelle durch Natrium. Dieses Element bietet den Vorteil, dass es 1000mal häufiger auf der Erde vorkommt als das Element Lithium. Durch die Verwendung des Natriums gestaltet sich auch das Recycling nach Ablauf der Gebrauchsdauer einfacher. Auf Grund der geringeren Energiedichte gegenüber Lithium-Ionen Batterien und schwereren Zelle ist dieser Akkutyp eher für stationäre Anwendungen und weniger für Elektromobiliätsbereiche geeignet 26 von 30
Fazit und Empfehlungen Akku-Auswahl für den Home-Bereich -Sicherheitsanforderungen beachten -Checkliste -Speichergröße auf tatsächlichen Bedarf auswählen -Wirtschaftlichkeitsberechnung -Speicherort nach Herstellervorgaben auswählen (niedrige Raumtemp.) -Kosten/Nutzen prüfen -Einsatz von Monitoring-System prüfen 27 von 30
Fazit und Empfehlungen Akku-Auswahl für die Mobilität -Sicherheit -Entfernung der Ladestationen -Kilometer-Reichweite -Bedarfsanalyse -Akku-Zyklenfestigkeit -Austauschkosten -Akku-Lebensdauer 28 von 30
Fazit und Empfehlungen Stromverbrauch reduzieren Stromverbrauch und -erzeugung regelmäßig kontrollieren Grundlast ermitteln und reduzieren (Nachtstunden) Standby-Verbrauch prüfen (Strommessung) Standby-Geräte abschalten Geplanter Geräteaustausch (Energieeffizienz >A++) Fördermöglichkeiten - Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) - KfW Bankengruppe (KfW) - Übersichten zu bundesweiten und regionalen Förderprogrammen www.energieagentur.nrw.de/ www.energiefoerderung.info/asue/ 28 von 30
Glossar Wichtige Abkürzungen DOD (Depth of Discharge) = Entladungstiefe Der maximale DOD wirkt sich stark auf die Lebensdauer der Batterie bzw. die erreichbaren Vollzyklen auswirkt. LFP (Lithium Ferrum Phosphate) = Lithium Eisenphosphat -LFP Batterien gelten als Favorit für die Elektroautos der Zukunft -Sie können in der Praxis ca. 2000 mal wieder aufgeladen werden LTO (Lithium Titanium Oxide) = Lithiumtitanoxid -LTO Batterien gelten als Favorit für die Speicher der Zukunft -In der Praxis erreichen sie bis zu 10.000 Ladezyklen und mehr BMS (Batterie Management System) BMS ist eine Elektronikkomponente, die die Aufgabe hat, das Batteriepaket vor zu hohen Lade- und Entladeströmen, vor zu hohen oder zu niedrigen Betriebstemperaturen und vor zu hohen Lade- und Entladespannungen zu schützen. Außerdem hat es meist die Aufgabe, die einzelnen Zellen im Batteriepaket zu balancen und den Zustand der Batterie über einen Datenbus an den Steuercomputer zu übergeben Die Coulomb-Effizienz ist das Verhältnis der Menge der Elektronen, die dem Akkumulator entnommen werden kann, zu den Elektronen die vorher in den Akkumulator geladen wurden 30 von 30
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