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- 1 - DPG Frühjahrstagung Arbeitskreis Energie Dresden, 14.03.2011 Margret Wohlfahrt-Mehrens Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW)

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1 - 1 - DPG Frühjahrstagung Arbeitskreis Energie Dresden, Margret Wohlfahrt-Mehrens Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) Baden-Württemberg Energiespeicher für die Elektromobilität: Stand der Technik und Perspektiven

2 - 2 - Übersicht Einführung Anforderungen an Speichersysteme Zelltechnologie und Entwicklungsperspektiven Kosten Ausblick

3 - 3 - Elektromobilität vor mehr als hundert Jahren Ferdinand Porsche entwickelt Elektrowagen mit Bleibatterie (Lohner-Porsche) - die Sensation der Weltausstellung im Jahr 1900 in Paris AEG betrieb wenige Jahre später eine Serienfertigung von Elektrofahrzeugen in Berlin Das im Überschuss vorhandene Erdöl mit seiner unschlagbaren Energiedichte und das sich schnell ausweitende Fernstraßennetz waren das Ende von Elektrofahrzeugen

4 - 4 - Elektromobilität heute Quelle: Prof. Ouyang Minggao Tsinghua University

5 - 5 - Motivation: Wirkungsgrade Typische Fahrzeug-Wirkungsgrade… Verbrennungsmotor:20 – 25 % Brennstoffzellen-Elektroantrieb:40 – 50 % Batterie-Elektroantrieb:70 – 80 % Die vorgelagerte Energiekette, die stark von der Energieerzeugung abhängt und starken Änderungen unterliegt, muss ebenfalls berücksichtigt werden. Nur Erneuerbare Energien liefern eine nachhaltige Treibstoffquelle.

6 - 6 - Potenziale der Erzeugung aus erneuerbarem Strom in D Strom für Batterie-Elektro-Fahrzeuge Quelle: Weiterentwicklung der Ausbaustrategie Erneuerbare Energien, Leitstudie 2008, BMU ca. 1,5 Mio. ca. 10,5 Mio. ca. 40 Mio.

7 - 7 - Elektromobilität und Erneuerbare Energien 5000 m 2 für Biodiesel + Verbrennungsmotor 1000 m 2 für Wasserstoff aus Biomasse + Brennstoffzellenantrieb 20 m 2 für PV-Strom + Batterie-E-Fahrzeug 500 m 2 für Wasserstoff aus Windenergie + Brennstoffzellenantrieb (Fläche gleichzeitig landwirtschaftlich Nutzbar) Flächenbedarf für regenerative Kraftstoffe zum Betrieb eines Pkw mit km p.a. Fahrleistung 65 m 2 für PV-Strom + BZ-E-Fahrzeug Quelle: ZSW

8 - 8 - Typen der Hybridisierung Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In Hybrid Batterie E- Fahrzeug Motor assist++++ Bremsenergie- rückgewinnung Start-Stop+++++ Elektrische Reichweite Wenige kmBis 60 km100 – 200 km Kraftstoffein- sparung 8%12– 20 %25 – 40%60 – 100%100% Beispiele BMW 1,3 MiniGM Saturn Vue, Honda Civic, Mercedes S- Klasse BMW 7 Serie Ford Escape, Toyota Prius DAI Sprinter, VW Twin Drive GM Chevrolet Volt Mitsubishi i-EV, BMW Mini-El, Peugeot i-On

9 - 9 - Lithium-Ionen-Batterien: Anforderungen an Speichertechnologie Sicherheit sicher auch bei Fehlverhalten Konsumerbatterie: < 90 Wh Hybridfahrzeuge: 1-2 kWh Plug-In HEV: 6 – 10 kWh Batteriefahrzeug: > 20 kWh Kosten < 300 /kWh (System) Energiedichte elektrische Reichweite > 200 Wh/kg Lebensdauer kalendarisch >15Jahre > Zyklen HEV > BEV Betriebsbedingungen - 30°C bis +50°C, Schnellladung Vibration, Schock, Crash Leistung > 100 kW el

10 Vergleich verschiedener Energiespeicher - Energie vs. Leistung - HEV Zelle EV Zelle Laptop Zelle km Reichweite Annahmen Systemebene: 250 kg Batterie, 15 kWh/100 km Power-Energy-Ratio (PER) High Energy Battery (HE): PER 5 h -1

11 Lithium-Ionen-Batterien Zelldesign Rundzellen Coffee-Bag-Zellen Prismatische Zellen Wickelelektrode Stapeltechnologie Quelle: Varta Quelle: Saft Quelle: Lithium Energy Japan Quelle: AESC Quelle: Varta

12 Vergleich zylindrische und prismatische Zellen cylindrical -easy, established manufacturing process (electrode coil) - uniform compression of electrodes - Gas tight casing (40 bar) - Defined pressure for cell opening - good sealing - mechanical robustness - high temperature gradient within cell - low packing density in battery prismatic - spirally winded electrodes – easy manufacturing - higher packing density in system - better cooling management - more uniform temperature distribution - flexible in size and shape

13 Pouchzellen -Stacked or spirally winded structure -Laminated electrodes to separators or stacked electrode/separator units -Use of liquid or gel type electrolytes -Use of ceramic separators possible - low cost packaging - higher energy density - flexible design (size and thickness) - better thermal management - inflating if internal pressure increases - drop tests sensitive to mechanical stress, internal short circuits at edges -Uniform compression of stacks required within battery system -Gas tight (air and moisture) for more than 10 years? -Safety regulation for cell opening?

14 Lithium-Ionen-Batterien: Materialkombinationen Cyclic carbonates LMnP / LMnPO 4

15 Lithium-Ionen-Systeme: Materialkombinationen Kathoden: LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 LNCA LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 LNCM LiMn 2 O 4 LMO Blends LNCM/LMO LiFePO 4 LFP Anoden: GraphitC Li 4 Ti 5 O 12 LTO Energiedichte: LTO ca 60% von C basierten Systemen Leistungsdichte: LTO > C Systeme Sicherheit: LTO >> C Zyklenlebensdauer: LTO > C

16 K. Zaghib et al. presented at PPFC, Japan 2009 Exzellente Lebensdauer und Sicherheit

17 Vergleich Kathodenmaterialien material Power density safetystability costs per Ah Energy density LCO LiCoO 2 NCA LiNi 0,80 Co 0,15 Al 0,05 O 2 NMC LiNi 0,33 Mn 0,33 Co 0,33 O 2 LMO LiMn 2 O 4 LFP LiFePO 4 Very goodVery bad Blends of NMC or NCA with LMO compromise energy density, rate capability, costs, life time

18 Entwicklungspotenziale: Zellchemie Große Vielfalt an möglichen Aktivmaterialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften Großes F&E Potential: - Höhere Energie- und Leistungsdichte - Kostenreduktion - Erhöhte Sicherheit - Verbesserte Lebensdauer -…

19 Potenziale zur Erhöhung der Spezifischen Energie Neue Kathodenmaterialien mit höheren Kapazitäten Kathodenmaterialien mit höherem Li + - Umsatz (gemischte Mn-Oxide, Li 2 FeSiO 4, …) Zyklenstabilität? Neue Anodenmaterialien mit höheren Kapazitäten Si-Metall oder Si-Komposite Zyklenstabilität? Sicherheit? Anoden/Kathodenbalance? Erhöhung der Zellspannung Hochvoltkathodenmaterialien (Hochvolt-Spinelle, LiCoPO 4, …) Stabile Elektrolyte? Stabilität, Sicherheit? Geringerer Anteil an inaktiven Kompenten Dickere Elektroden Leistung? Dünnere, leichtere Stromableiterfolien Dünnere, leichtere Separatoren Leichtere Zellgehäuse Sicherheit? Neue Batteriesysteme Li-Schwefel Li-Luft

20 Lithium-Ionen Batteriesystem : Sicherheit Nach W. Praas, 2008 Thermisch stabile Kathodenmaterialien Oberflächeninaktive Anoden Zellaufbau Stabiler Separator Nicht entflammbarer Elektrolyt Fahrzeugintegration Batteriemanagement

21 Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien Sicherheit ist abhängig von Zellchemie Sicherheitsrisiko nimmt mit Zellkapazität und Ladeschlußspannung zu Sicherheitsmaßnahmen sichere Materialkombinationen Zelldesign konservative Auslegung (Zellkapazität) fehlerfreie Fertigung und Assembling Zellüberwachung und BMS Sicherheitsrisiken entstehen häufig durch interne Kurzschlüsse Qualitätskontrolle bei Fertigung

22 Lebensdaueranforderungen Mit zunehmender Elektrifizierung wird Batterie kostenintensivste Komponente im Fahrzeug Lebensdauer > 10 Jahre, Austausch der Batterie nicht wünschenswert Batterien sind signifikant überdimensioniert, um Leistungs- und Energieperfomance zu gewährleisten HEV: 10% - 25% Nutzung des Gesamtenergieinhalts Toyota Prius HEV: 1.2 kWh Batterie, Nutzung < 300 Wh Plug-In Hybrid: ca. 50 – 60 % Nutzung Zyklenlebensdaueranforderungen abhängig von Anwendung HEV Zyklen mit geringem DOD, EV ca Vollzyklen Modelle zur zuverlässigen Vorhersage der Lebensdauer notwendig

23 Li-Ionen-Batterie Produktion Kaum etablierte Zellproduktion in Deutschland Aufbau Massenfertigung notwendig

24 Kostenanteile der Komponenten im Batteriemodul

25 Materialien, Recycling Skaleneffekte Fertigungs- technologie (Zelle + Modul) Lithium-Ionen-Batterie: Potenzial zur Kostenreduktion EV Zielkosten: 300 $/kWh QUELLE: Schott, B., C. Günther und A. Jossen, Batterie-Roadmap 2020+, ZSW-Studie, April 2010 Konsumerzellen heute: 250 $/kWh Quelle: SB LiMotive

26 Lithium-Ionen-Batterie: Ressourcen Ressourcenreichweite: ca. 200 Jahre Reservenreichweite: ca. 65 Jahre (ohne Recycling!) bei einer jährlichen Produktion von 50 Mio. Elektrofahrzeugen (20 kWh Batterie, 0.8 kg/kWh Lithiumcarbonat-Äquivalent (LCE) QUELLE: Schott, B.: Lithium – begehrter Rohstoff der Zukunft, ZSW-Studie Juni 2010.

27 Abschätzung Entwicklungsperspektiven für elektrische Energiespeichersysteme QUELLE: Schott, B., Günther C. und Jossen A., Batterie-Roadmap 2020+, ZSW-Studie, April 2010

28 Zusammenfassung Lithium-Ionentechnologie aussichtsreichstes System für HEV und EV- Anwendungen Optimierung großformatiger Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Energiedichte bei gleichzeitig hoher Sicherheit und langer Lebensdauer Energiedichtesteigerungen bis ca. 250 Wh/kg koordinierte Entwicklung: Material – Zelle - Systemebene erforderlich Primärziel: Kostenreduktion Materialien, Zelldesign, Fertigungstechnologie, Systementwicklung, Qualitätssicherung Kalenderlebensdauer > 15 Jahre notwendig, Entwicklung zuverlässiger Alterungsmodelle zur Abschätzung der Lebensdauer erforderlich Erhöhung der elektrischen Reichweite erfordert neue Batteriekonzepte Explorative Forschung für neue Systeme – langfristige Zielsetzung – Systemeinsatz in den nächsten Jahren noch nicht in Sicht

29 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Industrienahe Forschung für eine nachhaltige Energietechnik Batterien – Brennstoffzellen – Photovoltaik – Biomasseumwandlung Materialien – Modellierung – Komponenten – Systeme – Testzentrum Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Stuttgart Ulm Widderstall

30 ZSW Labor für Batterietechnologie (eLaB) Verfügbare Fläche: m 2 Fertigstellung: Juni 2011 Themen: Sicherheits-, Lebensdauer-, und elektrische Tests für Zellen, Module und Batteriesysteme bis 20 kWh Entwicklung von Produktionstechnologien Verifikation neuer Materialien in Standardzellen Post-Mortem-Analysen


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