Energiespeicher für die Elektromobilität: DPG Frühjahrstagung Arbeitskreis Energie Dresden, 14.03.2011 Margret Wohlfahrt-Mehrens Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) Baden-Württemberg Energiespeicher für die Elektromobilität: Stand der Technik und Perspektiven

Übersicht Einführung Anforderungen an Speichersysteme Zelltechnologie und Entwicklungsperspektiven Kosten Ausblick

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

Elektromobilität heute Quelle: Prof. Ouyang Minggao Tsinghua University

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.

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

Elektromobilität und Erneuerbare Energien Flächenbedarf für regenerative Kraftstoffe zum Betrieb eines Pkw mit 12 000 km p.a. Fahrleistung 5000 m2 für Biodiesel + Verbrennungsmotor 1000 m2 für Wasserstoff aus Biomasse + Brennstoffzellenantrieb 500 m2 für Wasserstoff aus Windenergie + Brennstoffzellenantrieb (Fläche gleichzeitig landwirtschaftlich Nutzbar) 65 m2 für PV-Strom + BZ-E-Fahrzeug 20 m2 für PV-Strom + Batterie-E-Fahrzeug Quelle: ZSW

Typen der Hybridisierung Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In Hybrid Batterie E- Fahrzeug Motor assist + Bremsenergie- rückgewinnung Start-Stop Elektrische Reichweite Wenige km Bis 60 km 100 – 200 km Kraftstoffein-sparung 8% 12– 20 % 25 – 40% 60 – 100% 100% Beispiele BMW 1,3 Mini GM 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

Lithium-Ionen-Batterien: Anforderungen an Speichertechnologie Energiedichte elektrische Reichweite > 200 Wh/kg 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) Betriebsbedingungen - 30°C bis +50°C, Schnellladung Vibration, Schock, Crash Lebensdauer kalendarisch >15Jahre > 300 000 Zyklen HEV > 4 000 BEV Leistung > 100 kWel

Vergleich verschiedener Energiespeicher - Energie vs. Leistung - HEV Zelle EV Zelle Laptop Zelle Power-Energy-Ratio (PER) High Energy Battery (HE): PER < 2 h-1 High Power Battery (HP): PER > 5 h-1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 km Reichweite Annahmen Systemebene: 250 kg Batterie, 15 kWh/100 km

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

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

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?

Lithium-Ionen-Batterien: Materialkombinationen LMnP / LMnPO4 Cyclic carbonates

Lithium-Ionen-Systeme: Materialkombinationen Kathoden: LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 LNCA LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 LNCM LiMn2O4 LMO Blends LNCM/LMO LiFePO4 LFP Anoden: Graphit C Li4Ti5O12 LTO Energiedichte: LTO ca 60% von C basierten Systemen Leistungsdichte: LTO > C Systeme Sicherheit: LTO >> C Zyklenlebensdauer: LTO > C

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

Vergleich Kathodenmaterialien Energy density Power density safety stability costs per Ah LCO LiCoO2 NCA LiNi0,80Co0,15Al0,05O2 NMC LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2 LMO LiMn2O4 LFP LiFePO4 Very good Very bad Blends of NMC or NCA with LMO compromise energy density, rate capability, costs, life time

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

Potenziale zur Erhöhung der Spezifischen Energie Neue Kathodenmaterialien mit höheren Kapazitäten Kathodenmaterialien mit höherem Li+- Umsatz (gemischte Mn-Oxide, Li2FeSiO4, …)  Zyklenstabilität? Neue Anodenmaterialien mit höheren Kapazitäten Si-Metall oder Si-Komposite  Zyklenstabilität?  Sicherheit?  Anoden/Kathodenbalance? Erhöhung der Zellspannung Hochvoltkathodenmaterialien (Hochvolt-Spinelle, LiCoPO4, …)  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

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

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

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 30.000 Zyklen mit geringem DOD, EV ca. 4.000 Vollzyklen Modelle zur zuverlässigen Vorhersage der Lebensdauer notwendig

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

Kostenanteile der Komponenten im Batteriemodul

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

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.

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

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

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

ZSW Labor für Batterietechnologie (eLaB) Verfügbare Fläche: 6 600 m2 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