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

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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

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Übersicht

Einführung

Anforderungen an Speichersysteme

Zelltechnologie und Entwicklungsperspektiven

Kosten

Ausblick

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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

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Elektromobilität heute

Quelle: Prof. Ouyang Minggao Tsinghua University

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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.

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Potenziale der Erzeugung aus erneuerbarem Strom in D

Strom für Batterie-Elektro-Fahrzeuge

Quelle: Weiterentwicklung der Ausbaustrategie Erneuerbare Energien, Leitstudie 2008, BMU

2,4

178

586

13

282

562

60

472

583

0

100

200

300

400

500

600

Str

om

bedarf

in T

Wh

2020 2030 2050

Strombedarf- bzw. Stromerzeugung in TWh

Energiebedarf für Elektromobilität (TWh)

Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien (TWh)

Gesamtstromerzeugung in D (TWh)

ca. 1,5 Mio.

ca. 10,5 Mio.

ca. 40 Mio.

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Elektromobilität und Erneuerbare Energien

5000 m2 für Biodiesel + Verbrennungsmotor

1000 m2 für Wasserstoff aus Biomasse + Brennstoffzellenantrieb

20 m2 für PV-Strom + Batterie-E-Fahrzeug

500 m2 für Wasserstoff aus Windenergie + Brennstoffzellenantrieb (Fläche gleichzeitig landwirtschaftlich Nutzbar)

Flächenbedarf für regenerative Kraftstoffe zum Betrieb eines Pkw mit 12 000 km p.a. Fahrleistung

65 m2 für PV-Strom + BZ-E-Fahrzeug

Quelle: ZSW

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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-KlasseBMW 7 Serie

Ford Escape,Toyota Prius

DAI Sprinter,VW Twin DriveGM Chevrolet Volt

Mitsubishi i-EV, BMW Mini-El, Peugeot i-On

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Lithium-Ionen-Batterien:Anforderungen an Speichertechnologie

Sicherheitsicher auch bei FehlverhaltenKonsumerbatterie: < 90 WhHybridfahrzeuge: 1-2 kWhPlug-In HEV: 6 – 10 kWhBatteriefahrzeug: > 20 kWh

Kosten< 300 €/kWh (System)

Energiedichteelektrische Reichweite> 200 Wh/kg

Lebensdauerkalendarisch >15Jahre> 300 000 Zyklen HEV> 4 000 BEV

Betriebsbedingungen - 30°C bis +50°C, Schnellladung

Vibration, Schock, Crash

Leistung

> 100 kWel

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Vergleich verschiedener Energiespeicher - Energie vs. Leistung -

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Spezifische Energie in Wh/kg

Spezifis

che L

eis

tung in W

/kg

Battery Electric Vehicle

Hybrid Electric VehiclePER = 10*1/h

PER = 20*1/h

PER = 4*1/h

PER = 2*1/h Lib

2015 Z

iel fü

r 2020

Blei

NiMH

Lithium

DSK

Redox-flow

HEV Zelle

EV Zelle

Laptop Zelle

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 kmReichweite

Annahmen Systemebene: 250 kg Batterie, 15 kWh/100 km

Power-Energy-Ratio (PER)

High Energy Battery (HE):

PER < 2 h-1

High Power Battery (HP):

PER > 5 h-1

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Lithium-Ionen-BatterienZelldesign

Rundzellen Coffee-Bag-Zellen

Positiver Pol

Dichtung

Einweg-Unterbrecher

PTC-Element Positiver Ableiter

Isolierscheiben

Berstscheibe

Zellgehäuse

Negativer Ableiter

NegativeElektrode

Positive Elektrode

Separator

Positiver Pol

Dichtung

Einweg-Unterbrecher


Isolierscheiben

Berstscheibe

Zellgehäuse

Negativer Ableiter

NegativeElektrode

Positive Elektrode

Separator

Positiver Pol

Dichtung

Einweg-Unterbrecher


Isolierscheiben

Berstscheibe

Zellgehäuse

Negativer Ableiter

NegativeElektrode

Positive Elektrode

Separator

Positiver Pol

Dichtung

Einweg-Unterbrecher


Isolierscheiben

Berstscheibe

Zellgehäuse

Negativer Ableiter

NegativeElektrode

Positive Elektrode

Separator

Prismatische Zellen

• Wickelelektrode• Stapeltechnologie

Quelle: Varta

Quelle: Saft

Quelle: Lithium Energy Japan

Quelle: AESC

Quelle: Varta

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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

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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?

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Lithium-Ionen-Batterien: Materialkombinationen

Cyclic carbonatesLMnP / LMnPO4

- 15 -

Lithium-Ionen-Systeme: Materialkombinationen

Kathoden:

LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 LNCALiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 LNCMLiMn2O4 LMOBlends LNCM/LMOLiFePO4 LFP

Anoden:

Graphit CLi4Ti5O12 LTO

Energiedichte:LTO ca 60% von C basierten Systemen

Leistungsdichte: LTO > C Systeme

Sicherheit:LTO >> C

Zyklenlebensdauer:LTO > C

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K. Zaghib et al. presented at PPFC, Japan 2009

Exzellente Lebensdauer und Sicherheit

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Vergleich Kathodenmaterialien

materialPower density

safety stability costsper Ah

Energy density

LCOLiCoO2

NCALiNi0,80Co0,15Al0,05O2

NMCLiNi0,33Mn0,33Co0,33O2

LMOLiMn2O4

LFPLiFePO4

Very good Very bad

Blends of NMC or NCA with LMO compromiseenergy 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, 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

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Lithium-Ionen Batteriesystem : Sicherheit

Nach W. Praas, 2008

Thermisch stabile Kathodenmaterialien

Oberflächeninaktive Anoden

Zellaufbau

Stabiler Separator

Nicht entflammbarer Elektrolyt

Fahrzeugintegration

Batteriemanagement

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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

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

180 200 220 240 260 280 300

DSC/(mW/mg)

Exo

T/°CQuelle: S. Albrecht et al; J. of Power Sources 119-121 (2003), 178.

NCA, NC1.4

1.2

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0.8

0.6

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0.2

0.0

180 200 220 240 260 280 300

DSC/(mW/mg)

Exo

T/°CQuelle: S. Albrecht et al; J. of Power Sources 119-121 (2003), 178.

NCA, NC

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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 AnwendungHEV 30.000 Zyklen mit geringem DOD, EV ca. 4.000 Vollzyklen

Modelle zur zuverlässigen Vorhersage der Lebensdauer notwendig

- 23 -

Li-Ionen-Batterie Produktion

Kaum etablierte Zellproduktion in DeutschlandAufbau Massenfertigung notwendig

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Kostenanteile der Komponenten im Batteriemodul

0

20

40

60

80

100

System Zelle Komponenten Rohstoffe

Ko

sten

ante

ile in

%

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Materialien, Recycling

Skaleneffekte

Fertigungs-technologie (Zelle + Modul)

Lithium-Ionen-Batterie: Potenzial zur Kostenreduktion

BCG 2009

McKinsey 2009

McKinsey 2009 AT Kearney 2009

Li-Tec 2009

Li-Tec 2009

Anderman 2009

Anderman 2009

Fraunhofer 2009/CARB 2007

Fraunhofer 2009/CARB 2007

Fraunhofer 2009/CARB 2007Fraunhofer 2009/CARB 2007

BCG 2009

SBLimotive 2009

McKinsey 2009

McKinsey 2009

AT Kearney 2009

CARB 2007

CARB 2007

0

300

600

900

1200

1500

2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035

$/kW

h

Target costs 300 $/kWhEV 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

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29,26

17,82

5,32 4,52

35,22

12,24

1,36 0,303,09

13,57

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0,200,96

39,90

0,12

4,26

Argentina Australia Bolivia Brazil Canada Chile China Russia Serbien USA Zaire Zimbabwe

Ressourcen

Reserven

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Ressourcen

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Ressourcen

Reserven

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Ressourcen

Reserven

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Ressourcen

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Ressourcen

Reserven

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Ressourcen

Reserven

(Angabe in Mio. t Lithium-Carbonat-Equivalent)

Quellen:

Datenbasis für Reserven nach [USGS 2010]; Datenbasis für Ressourcen nach [Evans 2008] verändert mit Daten nach [USGS 2010]

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Argentina Australia Bolivia Brazil Canada Chile China Russia Serbien USA Kongo Zimbabwe

Ressourcen

Reserven

(ca. 160 Mio. t LCE)

(ca. 50 Mio. t LCE)

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Ressourcen

Reserven

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Ressourcen

Reserven

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Reserven

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Ressourcen

Reserven

(Angabe in Mio. t Lithium-Carbonat-Equivalent)

Quellen:

Datenbasis für Reserven nach [USGS 2010]; Datenbasis für Ressourcen nach [Evans 2008] verändert mit Daten nach [USGS 2010]

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Argentina Australia Bolivia Brazil Canada Chile China Russia Serbien USA Kongo Zimbabwe

Ressourcen

Reserven

(ca. 160 Mio. t LCE)

(ca. 50 Mio. t LCE)

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.

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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/kgkoordinierte Entwicklung: Material – Zelle - Systemebene erforderlich

Primärziel: KostenreduktionMaterialien, 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

www.zsw-bw.de

Industrienahe Forschung für eine nachhaltige Energietechnik Batterien – Brennstoffzellen – Photovoltaik – Biomasseumwandlung

Materialien – Modellierung – Komponenten – Systeme – Testzentrum

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Stuttgart UlmWidderstall

- 30 -

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

Documents

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