VERBAND DER CHEMISCHEN INDUSTRIE e.v. Elektromobilität Kompetenztreffen Lithium-Ionen Batterien des Kompetenznetzwerks Lithium-Ionen Batterien (KLiB) Dr. Thomas Geelhaar, Merck KGaA
I. Elektromobilität braucht Chemie Seite 2
Neue Wertschöpfungsketten durch Elektromobilität Chemie ist Enabler : Elektromobilität ist Chemie auf Rädern Chemie stellt sich auf neue Wertschöpfungskette ein: Es wird neue Geschäftsmodelle mit höherem Chemieanteil und erhöhtem Investitionsbedarf für die Chemiebranche geben Es sind gleichberechtigte Allianzen und Kooperationen von OEMs und Vorleistern (Elektronik, Chemie u.a.) im Automobilbau zu erwarten. Chemische Industrie beteiligt und vernetzt sich auch weiterhin in der NPE damit Schlüsseltechnologien wie Materialentwicklung für Batterien und der Zell- sowie der Karosseriefertigung, die die höchst mögliche Wertschöpfung bedeuten, den Produktionsstandort Deutschland sichern. geschlossene Wertschöpfungsketten im Automobilbau erhalten bleiben. Seite 3
Wertschöpfungskette des emobils fängt bei den Materialien für die Batterie an großes Wachstumspotenzial für Batterien WERTSCHÖPFUNGSKETTE EINES ELEKTROMOBILS Materialherst. Komponentenherst. Batterieherst. Modulherst. ERWARTETE WERTSCHÖPFUNG Globales Marktvolumen, 2020, in Mrd. EUR 1) KLASSISCHE MECHANISCHE KOMPONENTEN NEUE KOMPONENTEN Verbrennungsmotor Antrieb, v.a. Getriebe Abgasanlage Treibstofftechnik Batterie Elektromotor Leistungselektronik Verkabelung Packherst. Fahrzeugintegration Hiervon etwa 10%-15% Kathodenmaterial Anteil der Batterie am Gesamtfahrzeug 40% Gebrauch ca. 75 Mrd. EUR Recycling Sonst. Adaptionen TOTAL Quelle: 1) BMU nach McKinsey 2010; betrachtet wurden alle Hybride inkl. Plug-in-Hybride sowie Elektrofahrzeuge Seite 4
Wertschöpfungskette am Beispiel Li-Ionen Batterien MARKTANTEILE GLOBALER Li-IONEN- BATTERIENMARKT für den Consumerbereich Firma BASF Bayer Materials Science Chemetall Chemische Fabriken Budenheim Evonik Litarion H.C. Starck Merck SGL Carbon Süd-Chemie Produkte Kathodenmaterialien, Elektrolyte Leitfähigkeitsadditive Lithiumprodukte Precusoren für Kathodenmaterialien Separatoren, Elektroden Kathodenmaterialien Elektrolyte Anodenmaterialien Kathoden- und Anodenmaterialien Beispiele für Hersteller von Aktivmaterialien aus Deutschland Bis zu 60% der gesamten Batteriekosten Quelle: Bloomberg New Energy Finance 2010 DEUTSCHLAND MUSS BEI DER ZELLPRODUKTION AUFHOLEN Seite 5
Weg Deutschlands zur Leitanbieterschaft Ziele der Chemie Technologieführerschaft bei Batteriesystemen für die E-Mobilität durch Steigerung der Batterieleistungsfähigkeit Reduktion des gesamten Energiebedarfs durch Weiterentwicklung von Konstruktions- und Werkstoffleichtbau Sicherung der Rohstoffverfügbarkeit durch Recyclingkonzepte Entwicklung von weiteren Schlüsselmaterialien (z.b. für das Wärme-Management) zur Steigerung der Reichweite Definition von Anforderungen und Handlungsbedarf zur Qualifizierung und Förderung des beruflichen und wissenschaftlichen Nachwuchses Seite 6
II.Beiträge der Chemie Seite 7
Hochleistungskunststoffe für eine mobile Zukunft 1882 Elektromote von Werner Siemens, Berlin 1882, erster Oberleitungsbus der Welt 1899 Spezielle Komponenten in Elektroautos 1927 Camille Jenatzy in seinem Elektroauto La Jamais Contente, 1899 Bergmann-Paketzustell-Wagen mit Elektromotor, gebaut zwischen 1922 und 1927, Leistung 20 PS, Geschwindigkeit 20km/h, Nutzlast 2,5t, im Museum für Kommunikation in Nürnberg Seite 8
Schematische Darstellung eines E-PKW s Elektronik E-Maschine Kabelbaum Energiespeicher Thermomanagement Karosserie Energieversorgung Seite 9
Die Chemie in der E- Maschine Lagerbuchsen Polyimid Isolationsfolie Polyimid Nutisolation Para - Aramid Isolationsfolie Polyester Isolationsschlauch PTFE Isolations - Drahtlack Isolations- Blechlack Statorisolation Para-Aramid Kunststoffgehäuse PBT Lagerschale LCP Anlaufpilz PI Kunststoffgehäuse Polyester Isolations - Imprägniermittel Steckverbinder Polyamid Lagerschale Polyacetal Anorganische Hochleistungsschmierstoffe PTFE Seite 10
Komponenten in Elektroautos am Beispiel von Ticona Werkstoffen Elektronische Wärmeregulierung Elektrischer Motor Startermotor oder Start-Stop System Leistungselektronik Stromrichter DC/DC Kontrolleinheiten Hybrid / Elektrischer Übergang Energie Speichersysteme Batterien (+CU) Super- /Ultra- Kondensatoren E/E-Standard Bauteile Aktuatoren, Konnektoren Relais, Sensoren HV-Konverter HV- Leitungen Neue Komponenten aus Antriebsstrang- und Fahrwerksensoren z.b. elektrische Übersetzung, Ölpumpe Seite 11
Die Zelle macht 60-80% der Wertschöpfung der Batterie aus Graphite Metalloxide Polymerbinder Ruße Cu / Al Folien Lösungsmittel Anoden Kathoden Separator Elektrolyt Siegelbänder Verpackung Stromableiter Einzelzellen Batterien Batteriemodule HEV, EV Industrieanwendungen Stationärspeicher Chemikalien Komponenten Zellen Batterien Anwendungen 50-60% 20-25% 15-20% Wertschöpfung Seite 12
Anodenmaterialien für Li-Ionen Batterien Carbon- und Graphit-Anodenmaterialien für Lithium-Ionen Batterien Lithium-Ionen Batterien (LIB) sind die Schlüsseltechnologie für eine breite Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen und Plug-In Hybriden (Elektrifizierung der Mobilität) Carbon- und Graphit-Anodenmaterialien sind eine wesentliche Komponente Seite 13
Beiträge der Chemie am Beispiel Kathodenmaterialien Herstellung von BASF Hochleistungs-NCM-Kathodenmaterial Einsatz in Lithium-Ionenbatterien (Gen II und III) Hervorragende Materialeigenschaften hohe Energiedichte, Lebensdauer und verbessertes Sicherheitsprofil Klares Commitment zum Wachstumsmarkt Elektromobilität Kommerzialisierung von Batteriematerialien BASF arbeitet bereits heute an Post-Li-Ionen Batteriesystemen (Gen IV) Li-Schwefel & Li-Luft Seite 14
Beispiel Elektrolytmaterialien Kundenspezifische, gebrauchsfertige Elektrolyte für Li-Ionen Batterien Additive zur Leistungssteigerung von Li-Ionen Batterien Leistungsdichte Energiedichte Sicherheit Lebensdauer Neue Leitsalze für zukünftige Generationen von Li-Ionen Batterien und Kondensatoren Merck 2011: Dr. Michael Schmidt (PM-AB-Energy) Seite 15
Evonik: Li-Tec Zelle Kathode Anode Keramischer Separator 120 Lagen ~ 1kg (40 Ah) Seite 16 S
Ein Separator aus Keramik Herkömmliche Separatoren verhalten sich wie Plastiktüten Flexibel und leicht verarbeitbar Aber: nicht temperaturstabil, d.h. starke Schrumpfung bei Hitze Keramik dagegen verhält sich wie Meißener Porzellan Hochtemperaturfest und schrumpft nicht chemisch beständig mechanisch belastbar Aber: spröde, unflexibel und praktisch undurchlässig Der keramische SEPARION Separator vereint Flexibilität und keramische Beständigkeit dank weltweit patentierter Technologie Gute Verarbeitbarkeit Verbesserte Zellsicherheit Verbesserte Zell Performance und Lebensdauer Seite 17 S
Beiträge der Chemie am Beispiel Leichtbaumaterialien Neue BASF Materialkonzepte in zahlreichen Bauteilen Gewichtsreduktion führt zu geringerem E-Verbrauch -5% Gewicht -3% Verbrauch Besondere Notwendigkeit im Elektrofahrzeug hohes Batteriegewicht und begrenzte Energieverfügbarkeit Größte Einsparpotenziale bei tragenden Elementen wie Chassis Neue Materialkonzepte bereits in Erprobung RTM Technologie, Sandwichstrukturen, faserverstärkte Kunststoffe Seite 18
Automobiler Leichtbau mit Carbonfaser-Verbundwerkstoffen Precursor Otake, Japan JV mit Mitsubishi Carbonfasern Moses Lake, USA Gewebe Wackersdorf, D SGL Automotive Carbon Fibers Carbonfaser-Verbundwerkstoffe CFK-Komp. Landshut, D reduzieren das Gewicht erhöhen die Sicherheit senken Emissionen und schonen Ressourcen BMW Megacity Vehicle BMW MCV Leipzig, D Seite 19
Beiträge der Chemie am Beispiel Wärmemanagement BASF Materialkonzepte für Scheiben, Karosserie und Innenraum Geringerer Energieverbrauch von Heizung und Klimaanlage Komfortelemente verbrauchen bis zu 35% der Gesamtenergie Besondere Notwendigkeit im Elektrofahrzeug kein Heizungsbetrieb durch Abwärme, begrenzte Energieverfügbarkeit; Temperatursensitivität der Batterie Neue Materialkonzepte in Erforschung Hochleistungsdämmmaterialien, IR-Strahlung reflektierende Pigmente für Scheiben, Lacke und Innenverkleidung Auto heute (bis zu 60 C) Auto in Zukunft (20-30 C) Seite 20
Innovationen ermöglichen: Beispiel Brennstoffzelle in D Ticona s Hochleistungskunststoffe Fortron PPS und Vectra LCP in Kombination Anforderungen chemische Beständigkeit keine Wasseraufnahme kein Aufquellen zu BASF Fortron 1140L4 Vectra LCP OEM: Schalt und Regelungstechnik GmbH Berlin Seite 21
BASF liefert das Herzstück der Brennstoffzelle die Celtec-P MEA APU für mobile Anwendungen Status heute Erste MEA für Hochtemperatur PEM Brennstoffzellen Entwicklung seit 1995. Auf dem Markt seit 2004. Fokus auf Kostenreduktion und Markteinführung Vorteile der HT-PEM Brennstoffzellen für Kunden: Robustheit und Unempfindlichkeit Hohe Effizienz Einfaches und kostengünstigtes System Viele Anwendungen für Brennstoffzellen Stationäre UPS und Notstromversorgung Stationäre Kraft- Wärme-Kopplung Kleine APU Seite 22
III.Forderungen des VCI Seite 23
Forderungen des VCI (1/2) 1. Chemie als starken Partner und Enabler einbeziehen 2. Forschungsförderung für Elektromobilität verstärken Technologieoffene FuE-Förderung über die gesamte Wertschöpfungskette zum Aufbau und Sicherung technologischer Kompetenzen in Deutschland umsetzen Ausrichtung der Förderprogramme an den NPE-Roadmaps (Bereiche Batterie- und Zellfertigung, Leichtbau) Diskussion zur Gestaltung der Förderprogramme und der Förderinstrumente 3. Die Erforschung von Technologien zur Produktion von E-Fahrzeugen in D über die gesamte Prozesskette ausbauen Produktionstechnologien für die Zell- und Batterieherstellung und zur Verarbeitung komplexer Materialsysteme/ Kompositmaterialien Förderung von Demonstrationsprojekten und Investitionen in Pilot- und Demonstrationsanlagen Seite 24
Forderungen des VCI (2/2) 4. Material- und Werkstofforschung in Deutschland weiterentwickeln und effektiver koordinieren Umsetzung des 10-Punkteprogramms und Ausbau des WING-Programms des BMBF Recyclingfähigkeit neu entwickelter Materialien und Ersatz für zugangslimitierte Rohstoffe frühzeitig einbeziehen 5. Angebote an Aus- und Weiterbildungsmöglichkeiten verbessern und ausbauen Elektrochemie und Materialwissenschaften an den Hochschulen stärken Angebote zur beruflichen und akademischen Aus- und Weiterbildung in der Elektrochemie und der MeChemTronik ausweiten und fördern Seite 25
IV.Ausblick auf die politische Diskussion Seite 26
Ausblick auf die politische Diskussion NPE wird von der chemischen Industrie als Erfolg bewertet: Jetzt Fokus auf Umsetzung der FuE-Roadmap Leitanbieterschaft und Leitmarkt: Schnelle Umsetzung des Regierungsprogramms notwendig Fördermaßnahmen abhängig von Marktphase und Ergebnis des Fortschrittsmonitorings politische Unterstützung der Förderprogramme nötig Maßnahmen und Instrumente der Forschungsförderung diskutieren Seite 27
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 28
Back-up Seite 29
Das Kathodenmaterial LFP KATHODENMATERIAL LiFePO 4 P1 (Energy Grade) P2 (Power Grade) BATTERIEMATERIALIEN SÜD-CHEMIE L1 SEPARATOR LiAlTiPO 4 ANODENMATERIAL Li 4 Ti 5 O 12 T1 (Energy Grade) Hersteller von Kathoden-/Anoden- sowie Separatormaterialien Heutige Produktionskapazitäten befinden sich im Pilotmaßstab in Deutschland; Großproduktion in Kanada Süd-Chemie plant Investition in weitere Produktionskapazitäten und wird vor allem in jenen Ländern mit der höchsten staatlichen Förderung investieren Seite 30
Lithium Materialien Li-Ionen und nächste Generation Rohstoffe in angepasster Batterie-Qualität high-purity Materialien Ausgangsbasis für Hochleistungsbatterien Sicherung der Versorgung durch Chemetall als Weltmarktführer innovative Materialien für neue Technologien Lithium-Pulver für metallbasierte Batterien der nächsten Generation (Li/Luft, Li/Schwefel) Vorbereitung für die nächste Batterie-Generation mit deutlich erhöhter Reichweite Seite 31
Lithium Recycling FuE-Projekt gefördert vom BMU: Bau einer Pilotanlage Rohstoff: Separierte und vorbehandelte lithiumhaltige Aktivmaterialien aus EV-Batterien Prozess: Extraktion Aufreinigung Salzspaltung Endprodukte: Hochreine Lithiumsalze Übergangsmetallsalze oder -lösungen Direkte Wiederverwendung der Lithiumsalze für neue Batteriematerialien Chemetall 2011: Martin Steinbild (Lithium Business Solutions) Seite 32