www.dlr.de Folie 1 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien K. Andreas Friedrich, N. Wagner, W. Bessler Institut für Technische Thermodynamik Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v.
www.dlr.de Folie 2 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Schlüsseltechnologie für Elektrische Energiespeicherung: Batterien Verkehr / mobil - Hybrid-Fahrzeug - Plug-in Hybrid - Batteriefahrzeug Energie / stationär - Frequenzstabilisierung - Last-Management - Kopplung mit EE - Notstrom und Pufferbatterie
www.dlr.de Folie 3 > Vortrag > Friedrich 7.3.2912 Forschungsaktivitäten für Batterien - Sicherheit - Kosten - Energie => Reichweite - Leistung => Beschleunigung - Lebensdauer, Selbstentladung
www.dlr.de Folie 4 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Innovative Li-Batteriekonzepte am DLR Entwicklung von Li-Batterien mit deutlich erhöhter Energiedichte (Li-S, Li-Luft) Zuverlässiger und sicherer Betrieb von Hochleistungsbatterien Kompetenzen des DLR: - Elektrochemische Eigenschaften und Zustandsdiagnose - Modellierung - In-situ Diagnostik - Zellentwicklung - Nutzung der Infrastruktur aus der Brennstoffzellenforschung: Synergien in der Herstelltechnik und der Charakterisierung
www.dlr.de Folie 5 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Übersicht: Lithium Batteriemodellierung am DLR LiFePO 4 Batterien: Thermisches Elektrochemie und e Li + Management und Impedanz run away Verständnis und Optimierung des physiko-chemischen Verhaltens Verständnis und Optimierung des thermischen Verhaltens und der Sicherheit Lithium-Schwefel Zellen: Redox-Chemie und Transport Analyse der Zyklisierung und der Reversibilität Lithium-Luft Zellen: Multi-phasen Chemie und Reversibilität Verbesserung der bifunktionalen Sauerstoffelektrode
www.dlr.de Folie 6 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Modellierung von Zellen Ziel: Verständnis des makroskopischen Verhaltens (Kapazität, Leistung, SOC), Lebensdauer (SOH) und Sicherheit (thermisches Management) auf Basis der mikroskopischen Chemie und Physik Thermodynamik Kinetik Transport Einzelzelle + + Enthalpie,Entropie, Li (de)interkalation in Aktivmaterialien Makroskopisches Halbzellenpotenzial SEI-Bildung Kompositelektroden Zell-Verhalten Ansatz: Kombination von multiskalen Modellierungsmethoden und in-situ / exsitu experimentelle Untersuchungen
Multi-Skalen Modellierung von Hochleistungszellen LiFePO 4 Computer Tomographie Li + -Ladungstransport: 180 µm Skala Positive current collector Positive electrode -LiFePO 4 Negative electrode -LiC Negative current collector 6 e Li + -LiPF 6 Li-Transport in Separator Festphase: 50-1000 nm Skala Electronically conductive coating e Li + Li Electrolyte Active material
Ergebnisse: Entladekurven, Variation der C-Rate Experimente: Batterielabor Unterschiedliche C-Raten (Start: 100 % SOC) Flache Entladekurven, Spannungsvariation hauptsächlich von C 6 - Elektrode Gute Übereinstimmung zwischen Modell und Experiment; Abweichung bei 4,6 C Rate wahrscheilich wegen Vernachlässigung der Wärmeentwicklung Cell Voltage [V] 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 0.1C 1C 2C 4.6C Experiment Simulation 2.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Capacity [Ah]
www.dlr.de Folie 9 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Ergebnisse: Entladekurven, Variation der Temperatur - 1C Entladung bei verschiedenen Temperaturen, LiFePO 4 - Zellen - Einbussen der Leistungsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen: - Höhere kinetische Verluste - Kapazitätserniedrigung Cell Voltage [V] 3.6 3.4 3.2 Experimente: Batterielabor Polarization losses 3.0 2.8 Capacity losses 50 C 2.6 30 C 20 C 2.4 10 C 0 C 2.2-10 C 2.0-20 C 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Capacity [Ah]
www.dlr.de Folie 10 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Motivation für Neue Batteriekonzepte: Energiedichte -Li/Air *E. J. Cairns, in Lithium Battery Technology, ed. by H. V. Venkatasetty, John Wiley & Sons (1984) 179, Venkatasetty, John Wiley & Sons (1984) 179
www.dlr.de Folie 11 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Unterschied praktische / theoretischer Energiedichte 1/3 Quelle: FC-Bat Große Unterschiede zwischen theoretischer und praktischer Energiedichte Faktor 2-3 realistisch für neue Batteriekonzepte Source: Samsung, EVS 22 40 Zellen, 144V, 6Ah, 30 kw, 31kg, 38l
www.dlr.de Folie 12 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Lithium-Schwefel-Batterien Vorteile: - Hohe theoretische Kapazität (1675 mah/g) und hohe spezifische Energiedichte (2500 Wh/kg) (vollständige Reaktion zu Li 2 S) Niedrige Materialkosten und hohe Verfügbarkeit von Schwefel Umweltfreundliche Materialien (nicht toxisch) Intrinsischer Schutz gegen Überladung Stand Sion Power (Kooperation mit BASF): - Kapazität 2.4 2.8 Ah - Spannung 2.1 V - Spezifische Energie 350-380 Wh/kg
www.dlr.de Folie 13 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Entwicklung von Li-Schwefel Batterien Ziel: - Hochenergiebatterien - Transfer von DLR Know-How aus dem BZ Bereich für Batterie-Elektrodenentwicklung Arbeitsschwerpunkte: - Anwendung von Rakel und Suspensionssprühverfahren für Kathodenentwicklung - Elektrochemische Charakterisierung - Multiskalenmodellierung zum Verständnis von Versagensmechanismen und verbesserten Zellkonfigurationen Bisherige Ergebnisse: - Präparation von Kathoden mit Suspensionssprühverfahren - Untersuchungen zum Langzeitverhalten - Einsatz verschiedener Separatoren und C-Varianten - erste in-situ XRD-Messungen
www.dlr.de Folie 14 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Ergebnisse Li-S: Zyklisierung Fall 1 Fall 2 Stromstärke 533 mah/g S Schwefelausnutzung nach 100 Zyklen: 75 % der Anfangskapazität Schichtdicke: 38 µm Stromkollektor: Al-Folie Anfangskapazität: 1551 mah/g Schwefel (~ 93 % der theoretischen Kapazität)
www.dlr.de Folie 15 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Ergebnisse: Oberfläche der Kathoden vor und nach Zyklisieren Suspensionsbeschichtete Al-Folie Vor Batterietest nach 50. Zyklus Suspensionsbeschichteter Ni-Schaum Vor Batterietest nach 50. Zyklus Kathodenoberfläche von Schicht überzogen (Li-Polysulfide) Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
www.dlr.de Folie 16 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Rasterkraftmikroskopie Statistische Analyse der leitfähigen Fläche mit AFM (PeakForce-TUNA, Bruker). Geringste Änderung des leitfähigen Netzwerkes korreliert mit den besten Batterieeigenschaften. AFM Bild: Stromverteilung auf S/C Kathode vor den Zyklisieren. I/nA 40 0 x/μm 0 1 2 3 Current profile along a line S. Sörgel, R. Hiesgen, I. Wehl; R. Costa; L. Carle; B. Pascucci; K.A. Friedrich, submitted. J. Power Sources
www.dlr.de Folie 17 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 In-situ XRD: Erste Entladung einer Li-Schwefelbatterie Diffraktogramme der Kathode und gemessene Entladungskurve (300 ma/g S) -a -b -c a: Lösung von S im Elektrolyt und Reduktion zu Polysulfiden höherer Ordnung b: weitere Reduktion von löslichen Polysulfiden c: Kristallines Li 2 S wird gebildet
www.dlr.de Folie 18 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Schematische Darstellung einer Lithium-Luft- Batterie mit wässrigen Elektrolyten Zwischenschicht Lithium Festkörper Li + -Leiter Reaktionsprodukte Wässrige Elektrolytlösung O 2 -Reduktion Reaktionsgleichung (alkalischer Elektrolyt): 4 Li + O 2 + 2H 2 O 4LiOH; E = 3,45 V
www.dlr.de Folie 19 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Mehrlagige Elektroden Trockensprühverfahren C/PTFE Walzverfahren Ag-PTFE
www.dlr.de Folie 20 Entwicklungsperspektiven von Li-Schwefel und Li-Luft-Batterien> Friedrich 7.3.2912 Zusammenfassung Elektrochemische Speicherung am DLR: - Modellierung und Zustandsdiagnose - Sicherheitsstrategien - Orientierung auf Li-S und Li-Luft - Zellentwicklung - Kalorimetrische Untersuchung - Anwendung in Hybridsystemen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit