Batterietechnologie Phaeno, 07.03.2013 Frank Seyfried, Volkswagen AG, Konzernforschung, Batterie und Kraftstoff Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff
Das erste Elektroauto von Porsche 14. April 1900 Weltausstellung Paris 2 Radnabenmotoren mit 14 PS 44 Zellen 300 Ah Batterie mit 80 V 50 km/h Maximalgeschwindigkeit 50 km Reichweite 980 kg Gesamtgewicht 410 kg Batteriegewicht 115 kg jedes Vorderrad ca. 300 verkaufte Fahrzeuge Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 2 2
Der Energiewandler Batterie Entladen - Fahren Laden - Stehen Elektron Elektron Elektron Elektron Kathode + Anode + Elektroly Elektrolyt Kathode + + Anode Elektrolyt Eine Batterie besteht mindestens aus zwei Elektroden und einem Elektrolyt. Der Elektrolyt Ist im allgemeinen flüssig. Primärzelle Sekundärzelle = wiederaufladbar Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 3
Funktionsweise einer Batterie Potential = - 0,76 V Potential = + 0,35V Zink geht in Lösung, d.h. Zinkionen Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 4
Zeitpunkte der Innovation 700 volumetrische Energiedichte Wh/l 600 500 400 300 200 100 Pb-Säure 1859 Ni-Cd 1899 Li-ion Li-Polymer 1990 1991 Ni-MH 1999 0 1850 1900 1950 2000 Jahr der Erfindung Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 5
Marktanteile von Batterietypen Anteil der Zelltypen in % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Ni-Cd Ni-MH Li-Ion Li-Polymer 0 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Jahr Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 6 6
Stückzahlen von Batterien 3000 2500 Ni-Cd Ni-Mh Li-Ion Li-Polymer Zellen in Millionen 2000 1500 1000 500 0 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Jahr Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 7 7
Optionen für Batteriematerialien Warum Lithium? Hohe Spannung durch Elemente mit großer elektrochemischer Potentialdifferenz Elektronegativität: schwach: 1. und 2. Hauptgruppe bzw. stark: 6. und 7. Hauptgruppe Übergangsmetalle können als Oxide Ionen der 1. Hauptgruppe einlagern Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 8 8
Li + Zelle ( Lithium Ion ) Laden Entladen Positive Elektrode Kathode Negative Elektrode Anode LiCoO 2 Li 1-x CoO 2 +xli + +xe - LiC 6 xli + +xe - +Li 1-x C 6 Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 9 9
Materialauswahl (State of the Art) Ppotential vs. Li/Li + [V] 5 4 3 2 1 0 Kathode LiMn 2 O 4 LiNiO 2 LiCoO 2 2.4 V Ti 5 O 12 Graphite LiFePO 4 3.2 V Carbon 3.6 V Spezifische Energie [Wh/kg] = Zelllspannung [V] x spezifischen Kapazität [Ah/kg] Anode Lithium-Metall 500 1000 1500 4000 spezifische Kapazität [Ah/kg] Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 10 10
Hybridbatterie Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 11
Hybridbatterie Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 12
Batterie vom e-golf Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 13
Aufbau eines Wickels Kupfer und Anode Aluminium und Kathode Separator PP, PE Stand: 07.02.2013 Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 14
Batterieaktivitäten der Volkswagen Konzernforschung Li-Ionen Batterien Gen. 1 und 2 Gen 1: Benchmark, Analytik Sicherheitstests, Alterungsmodelle Energie, Leistung im System Kosten Gen 2: Neue Materialien, neue Zellentypen Nach Li-Ionen Technologien Li Schwefel Li Sauerstoff Luftkathode vor und nach dem Entladen Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 15 15
Anforderungen an die Batterie Sicherheit Fehler, Unfall, Missbrauch, Wartung, Komfort, Zuverlässigkeit Kosten Wirtschaftlichkeit, Marktakzeptanz, Recycling Lebensdauer Zyklen, Standzeit Leistung Fahrleistung, Performance, Dynamik Energie Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher Ladezeiten, -infrastruktur Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 16 16
Anforderungen an die Batterie Sicherheit Fehler, Unfall, Missbrauch, Wartung, Komfort, Zuverlässigkeit Kosten Wirtschaftlichkeit, Marktakzeptanz, Recycling Lebensdauer Zyklen, Standzeit Leistung Fahrleistung, Performance, Dynamik Energie Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher Ladezeiten, -infrastruktur Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 17 17
Anforderung an die Zelle: Mindestens Hazard Level 4 Hazard Level Beschreibung 0 Kein Effekt. 1 Passive Sicherheitsvorrichtungen lösen aus. 2 Defekt / Beschädigung 3 4 Leck, (Masseverlust 50%) Gasaustritt, (Masseverlust 50%) 5 Brand oder Flamme 6 Bersten 7 Explosion Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 18
Lithium-Plating und Dendritenwachstum intakter Bereich Aufgetretene Schädigungen Kurzschluss von Anode u. Kathode durch Lithiumdendriten geschlossene Poren im Separator Polymer war geschmolzen u. wieder kristallisiert (Ausbildung von Schmelzfäden) geschädigter Bereich Schmelzfäden Separator Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 19 19
Anforderungen an die Batterie Sicherheit Fehler, Unfall, Missbrauch, Wartung, Komfort, Zuverlässigkeit Kosten Wirtschaftlichkeit, Marktakzeptanz, Recycling Lebensdauer Zyklen, Standzeit Leistung Fahrleistung, Performance, Dynamik Energie Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher Ladezeiten, -infrastruktur Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 20 20
Lebensdauer Themen/Herausforderungen Prüflabor für Zell und Batterietests: Aufwendige Untersuchungen notwendig, kaum theoretische Modelle für Alterungsverhalten etabliert. Berücksichtigung spezieller Betriebs- und Umweltbedingungen im Fahrzeug Temperatur (z.b. Südafrika, Nordschweden) Betriebsstrategie (Strom, Entladetiefe, kalendarische Alterung etc.) Sichere Lebensdauerprognosen sind erforderlich 10 15 Jahre Superponierte Alterungseffekte im hochkomplexen System Li-Ionen-Zelle (Anode, Kathode, Elektrolyt) Fazit Lebensdauererhöhung durch Materialforschung Entwicklung von Vorhersagemodellen zur Alterung (ähnlich Schadensmodellen im klassischen Maschinenbau) Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 21 21
Alterungseffekt: Kalendarische Alterung Einflussgrößen für die Alterung Temperatur Zeit Spannung (SOC) Strom Lade- und Entladehub (DOD) Zelltyp (Bauform) Anode, Kathode Elektrolytsystem Additive Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 22 22
Anforderungen an die Batterie Sicherheit Fehler, Unfall, Missbrauch, Wartung, Komfort, Zuverlässigkeit Kosten Wirtschaftlichkeit, Marktakzeptanz, Recycling Lebensdauer Zyklen, Standzeit Leistung Fahrleistung, Performance, Dynamik Energie Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher Ladezeiten, -infrastruktur Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 23 23
Potentiale zur Gewichtsreduktion Gewichtsverteilung im konventionell aufgebauten Batteriesystem (EV-Klasse) Status Hoher Anteil nicht aktiver Komponenten auf Zell-, Modul- und Systemebene zur Gewährleistung der Sicherheit und mechanischen Stabilität Entwicklung von automotiven Li-Ionen Batteriekomponenten hat gerade erst begonnen (hoher systemischer Aufwand) Optimierung im Bereich klassischer Maschinenbau durch Automobilhersteller Fazit Potentiale zur Reduktion nichtaktiver Anteile in der Zelle ausschöpfen Einsatz neuer Materialien Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 24 24
Stand: 07.02.2013 Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff
Technologieentwicklung Batteriezelle Fzg-Einsatz 2035 1000 Wh/kg Met. Lithium / Sauerstoff 2025 2020 2018 2015 600 Wh/kg Met. Lithium / Schwefel 450 Wh/kg Si-C / Schwefel Zelle 280 Wh/kg Si-C / HE-NMC Pouchzelle 200 Wh/kg C / NMC Pouchzelle Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 26 26
Lithium-Ionen-Zelle Gen 2 Hochenergie Kathoden Li-Ionen Gen 2 Anode: Silicium/Kohlenstoff Kathode: Hochenergie NMC-Kathoden Elektrolyt: Spannungsstabiler Elektrolyt bis 5 V Ziel Sichere Batteriezelle mit einer Energiedichte von 280 Wh/kg Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 27 27
Überlithiiertes Hochenergie-NMC Die Kristallstruktur des Aktivmaterials Bei Hochenergie-NMC werden während der Synthese zusätzlich Li-Atome in Übergangsmetallschichten eingebaut Kristallstruktur von LiCoO 2 und Li(NiCoMn)O 2, R-3m Kristallstruktur von LiMn 2 O 3 und Li(NiCoMn)O 2, R-3m + C2/m Hwang et al., J. J. Power Sources 2004, 125, 119. Hwang et al., J. Phys. Chem. B 2002, 106, 4053. Thackeray et al., J. Mater. Chem 2007, 17, 3112 3125 Linda Brinkhaus K-EFAB Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 28
Überlithiiertes HE-NMC - Die Kristallstruktur des Aktivmaterials Mn 4+ Co 3+ Ni 2+ Standard- NMC Li + Mn4+ Co 3+ Ni 2+ Hochenergie-NMC NiCoMnO 2 NiCoMnO 2 Li 2 MnO 3 Komplette Durchmischung von Ni, Co und Mn Clusterbildung Linda Brinkhaus K-EFAB Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 29 29
Lithium-Schwefel-Batterie Potential 600 Wh/kg e - e - V 16 Li + S 8 8 Li 2 S Herausforderungen Zyklenstabilität / Löslichkeit der Polysulfide hohe Selbstentladung hoher irreversibler Kapazitätsverlust Praktische Energiedichten vs. Theorie Leistung Schwefel und Lithiumsulfid sind Isolatoren Metallisches Lithium Dendritenwachstum Forschungsbedarf Festelektrolyte Materialstrukturierung auf Nanometerskala Core-Shell Technologie Metallisches Lithium als reversible Anode Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 30 30
Lithium-Sauerstoff Batterie Potential > 1000 Wh/kg e- Herausforderungen e- V Li2O2 Lithium Elektrolyt Poröse Kohlenstoff Kathode O2 Li+ 2 Li + O2 Li2O2? Forschungs- bedarf Reversibilität der Zellreaktion Überspannung / Hysterese Instabilität der Elektrolyte Reaktionen und Katalyse an den Phasengrenzen? Katalysatoren derzeit nicht spezifisch für die Reaktion Offenes System Metallisches Lithium Drendritenwachstum Aufklärung der Reaktionsmechnismen Materialstrukturierung auf Nanometerskala Core-Shell Technologie Festelektrolyte Metallisches Lithium als reversible Anode Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 31 31
Anforderungen an die Batterie Sicherheit Fehler, Unfall, Missbrauch, Wartung, Komfort, Zuverlässigkeit Kosten Wirtschaftlichkeit, Marktakzeptanz, Recycling Lebensdauer Zyklen, Standzeit Leistung Fahrleistung, Performance, Dynamik Energie Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher Ladezeiten, -infrastruktur Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 32 32
Elektrische Leistung für den Einsatz im Elektrofahrzeug EV-Typ HEV (220 V) PHEV (350 V) BEV (350 V) Peak- Leistung Batterie 40 kw (180 A) 85 kw (240 A) 125 kw (360 A) Energieinhalt Batterie 1 kwh 9 kwh 35 kwh Peak- Leistung Zelle 2600 W/kg (~36C) 1230 W/kg (~10C) 450 W/kg (~3,6C) Peak-Leistungsanforderung an eine Li- Ionen-Zelle je nach hypothetischem Einsatz (Referenz: 50%SOC, RT) Themen/Herausforderungen Großes Spektrum an Peakstromanforderungen an automotive Li-Ionen-Zellen: Sehr dynamische Profile (Beschleunigen, Fahren, Bremsen) Unterschiedliche Einsatzszenarien (z.b. Mild HEV, Plug-In HEV, Batterie-EV) Unterschiedliches Nutzerverhalten (z.b. sportlich) Hohe mittlere Ströme erzeugen Verlustwärme (unter Umständen aktive Kühlung notwendig) Fazit Steigerung der Leistungsfähigkeit durch Reduktion des Innenwiderstandes z.b. durch Einsatz neuer Aktivmaterialien, Oberflächenbehandlung und Zusätze. Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 33 33
Anforderungen an die Batterie Sicherheit Fehler, Unfall, Missbrauch, Wartung, Komfort, Zuverlässigkeit Kosten Wirtschaftlichkeit, Marktakzeptanz, Recycling Lebensdauer Zyklen, Standzeit Leistung Fahrleistung, Performance, Dynamik Energie Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher Ladezeiten, -infrastruktur Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 34 34
Materialkostendegression als große Herausforderung Materialkosten PKW 100 % 100% 80 % 73% 60 % 58% Batterie e-bremse 40 % 45% Leistungselektronik Elektromotor Getriebe 20 % Klimakompressor Ladegerät Rest COP Basisfahrzeug heute 2014 2018 Mindestanforderung Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 35 35
Vielen Dank! Antriebsforschung, Batterie und Kraftstoff 36 36