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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
- 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 -
Elektromobilität heute
Quelle: Prof. Ouyang Minggao Tsinghua University
- 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 -
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.
- 7 -
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
- 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 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
- 11 -
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
PTC-Element Positiver Ableiter
Isolierscheiben
Berstscheibe
Zellgehäuse
Negativer Ableiter
NegativeElektrode
Positive Elektrode
Separator
Positiver Pol
Dichtung
Einweg-Unterbrecher
PTC-Element Positiver Ableiter
Isolierscheiben
Berstscheibe
Zellgehäuse
Negativer Ableiter
NegativeElektrode
Positive Elektrode
Separator
Positiver Pol
Dichtung
Einweg-Unterbrecher
PTC-Element Positiver Ableiter
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
- 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 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
- 16 -
K. Zaghib et al. presented at PPFC, Japan 2009
Exzellente Lebensdauer und Sicherheit
- 17 -
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
- 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
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
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0.2
0.0
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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
- 24 -
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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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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Ressourcen
Reserven
(ca. 160 Mio. t LCE)
(ca. 50 Mio. t LCE)
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Argentina Australia Bolivia Brazil Canada Chile China Russia Serbien USA Zaire Zimbabwe
Ressourcen
Reserven
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Argentina Australia Bolivia Brazil Canada Chile China Russia Serbien USA Zaire Zimbabwe
Ressourcen
Reserven
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Argentina Australia Bolivia Brazil Canada Chile China Russia Serbien USA Zaire Zimbabwe
Ressourcen
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(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.
- 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/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
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