Wie baut man Li-Ionenbatterien? Welche Herausforderungen sind noch zu lösen? Dr. Ernst R. Barenschee, München, 10.06.2010
Evonik & Daimler - nicht exklusive Allianz entlang der Wertschöpfungskette Evonik Industries AG Daimler AG 100 % 50,1 % 49,9 % 10 % 90 % Evonik Litarion Li-Tec Deutsche Accumotive Elektroden & Separator Automotive Zellen Batteriemodule 14.06.2010 Page Seite 2 2
Li-Tec JV von Evonik und Daimler Technologiebasis 10 Jahre Erfahrung aus Evonik R+D Center 2006 Gründung der Li-Tec Battery 2008 Neue Shareholderstruktur Evonik(50.1) /Daimler (49.9) Eine der fortschrittlichsten Infrastrukturen für Li-Ionenbatterie-Produktionen in Europa 10.000 m 2 Produktionsfläche, davon 2.500 m² Trockenraum, 200 Mitarbeiter Derzeitige Kapazität 300.000 Zellen p.a. Zukünftige Kapazität: Mehr als 15 Mio Zellen p.a. (Daimler und andere) ISO 9001:2008 Zertifiziert TS 16949 Zertifizierung geplant für 2009 page 3
Zukünftige Mobilität ist durch die Elektrifizierung des Antriebstrangs gekennzeichnet Antriebssystem Verbrennungsmotor (Benzin/Diesel) Hybrid Elektrisches Fahren (emissionsfrei) Elektrifizierungsgrad 0% Stop/ Start (RSG*) Mild Full Plug-in Plug-in Fuel Batterie parallel serial cell (Range ext.) 100% *RSG: Riemen-getriebener Starter Generator page Page 4
Erst durch die Lithium-Ionen Technologie werden erstmals interessante Reichweiten möglich Blei-Säure Nickel Metall Hydrid Lithium-Ionen 125 kg 125 kg 125 kg ca. 5 kwh ca. 10 kwh ca. 25 kwh Fahrleistung in km mit einer 125 kg Batterie Seite page 5
Wesentliche Forderungen an Batterien für automobile Anwendungen Hoher Energieinhalt Schnelles Laden Kaum Selbstentladung Funktion bei jeder Temperatur Leistung Sicherheit Kein Überhitzen bei Belastung, Kurzschluss, Überladen oder Beschädigung Preis Viele Lade- und Entladezyklen für hohe Reichweite und lange Lebensdauer (8-10 Jahre) Verfügbarkeit Langlebigkeit page 6
Eine Li-Ionenbatterie besteht aus vier Komponenten: Anode Kathode Separator Elektrolyt page Seite 7
Li-Tec Batteriesystem Anode Elektrolyt Kathode Aktivmaterial: Graphit Ableiter: Cu (LITARION ) Organische Karbonate Leitsalz: LiPF 6 Separator: keramisch (SEPARION ) Aktivmaterial: LiNiMnCoO 2 (NMC) Ableiter: Al (LITARION ) page 8
Unser Differenzierungsmerkmale im internationalen Wettbewerb Erhöhte Sicherheit durch keramischen Separator SEPARION Ausgezeichnete elektrische Leistungsdaten durch spezielle Elektrodenfertigung Automatisierung von kundenspezifischen Zellformaten (E-Smart) page Seite 99
SEM Aufnahme des SEPARION Separators Querschnitt Aufsicht Aluminiumoxidkeramik PET Stützvlies 10 page 10
Abuse Crush Test: 40 Ah CERIO Technologie HE Zelle Page 11 AABC Europe, Feb 3 2010, Mainz page 11
SEPARION erhöht die intrinsische Sicherheit von Li-Ionen Zellen Mit keramsichen Separator SEPARION Nur Rauch, kein Feuer, keine Explosion Mit Kunststoff-Separator Starkes Feuer und Explosion Seite 12 page 12
LITARION TM Elektroden für große Zellen bringen Performance und Lebensdauer LITARION TM High Performance Elektroden Eigenschaften Endlosrollenware Kathodenmaterial auf Basis von Mn-Oxiden High Tech Materialien und Verfahren Vorteile Direkt von der Rolle einsetzbar Höhere Stabilität im Vergleich zu konventionellen Elektroden Höhere Zyklenfestigkeit Nutzen Erleichterte Systemintegration für LIB Erhöhte Eigensicherheit von LIB Exzellente Batterie Performance page 13
Industrielle Produktion von HE und HP Elektroden High Tech Beschichtungsprozess page 14
Schematischer Prozessablauf Zellfertigung Materialvereinzelung Anode Separator Kathode Stapeln Ableiter anschweißen Verpackung Tiefziehen Verpacken Vorsiegeln Elektrolyt füllen - Endsiegeln -Falten page 15
Li-Tec Produktportfolio für mobile und stationäre Anwendungen Super Hybrid PHEV EV Station Leistungsdichte 7-9 kw/kg 1.3-3 kw/kg 1-1.4 kw/kg 0.25-0.7 kw/kg Energieinhalt 0.5-2 kwh 1-5 kwh 10-25 kwh kwh-mwh 3 Ah Super High Power Zelle 6 Ah High Power Zelle 40 Ah High Energy Zelle 40 Ah High Energy cell 10 Ah High Energy Zelle Batteriemodullösungen & Kundenspezifische Produkte page 16
Dimensionen 40 Ah CERIO motive High Energy cell 40Ah High Energy Zelle ICS 12/203/245 I C S Li-Tec Ion Ceramic Sheet Type 245-2.5 mm 267-3 mm Physikalische Eigenschaften Breite 203 mm +0 / -3 mm Länge L1/L2 245 mm +0 / -2.5 / 267 mm +0 / -3 mm Dicke 11,3 mm +0 / -0.6 mm Gewicht 1050 +/- 8 g 17 203-3 mm 11.3 0.6 mm page 17
Elektrische Eigenschaften der 40 Ah CERIO motive High Energy Zelle Nennspannung Nennkapazität / 0,5 C (25 C) Max Entladungsstrom (10s) AC Impedanz (1 khz) Gravimetrische Energiedichte Volumetrische Energiedichte Zykelfestigkeit* bei 1C/1C Zykelfestigkeit* bei 2C/2C 3.6 V 40 Ah 10 C (400A) < 0,7 mohm 135 Wh/kg 241 Wh/l >4000 Zyklen >2000 Zyklen UN-T Transportzertifikat * Zykelfestigkeit bis 80% der Nennkapazität, 100% DOD (depth of discharge) bei RT page 18
40 Ah High Energy Zelle: Cycle Life Test bei 2C/2C 2C/2C Cycling (2C charge / 2C discharge, 3,0V.. 4,2V / 100% DOD) 120% nominal capacity in % 100% 80% 60% 40% 20% 0% LiTec 40Ah 2C/2C Competitor 53Ah 2C/2C Competitor 100Ah 2C/2C 80% EOL 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000 Cycle page 19
Serienprojekt mit Deutsche Accumotive Full EV City car E-Smart Elektrische Reichweite 160 km Li-Tec Zellen Cerio motive Serie 2012 Seite 20 page 20
Anzahl Lade- und Entladezyklen entscheidet über Gesamtfahrleistung 45 40 35 30 25 20 Blei Ni-MH Standard Li-Ionen Li-Tec Li-Ionen 500 Zyklen Blei 800 Zyklen NiMH 1500 Zyklen Standard Li-Ionen Premium Li-Ionen 2000-2500 Zyklen Premium Li-Ionen - 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 300.000 350.000 Gesamtfahrleistung über die Lebensdauer page 21
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