Batterietechnologien für Motive Power Zukunft und...

Batterietechnologien für Motive Power

Zukunft und Entwicklungschancen

Guten Tag meine Damen und Herren, hier spricht Ihr "Kapitän"…

… wir möchten Sie darauf

dringend hinweisen, dass es auf

diesem Flug nicht gestattet ist, ein

Samsung Galaxy Notes 7 zu

benutzen oder zu laden.

Ein Blick zurück:Patentmotorwagen, Benz, 1879 - 1885

Ein Blick zurück:Electric Tricycle, Ayrton & Perry, 1882

Ein Blick zurück:Ruf Porsche 2009

Wo stehen wir heute?Wieder aufladbare elektrochemische EnergiespeicherAluminium-Ionen

Natrium-Ionen

Lithium-Schwefel

Lithium-Mangan

Lithium-Luft

Lithium-IonenLithium-Polymer

Lithium-Eisenphosphat

Natrium-SchwefelNickel-Cadmium

Nickel-Eisen

Nickel-Lithium

Nickel-Metallhydrid

Nickel-Zink

RAM-Zelle

Silber-Zink

Vanadium Redox-Flow

Zink-Brom

Zink-Luft

ZebraZinn-Schwefel-Lithium

Blei-Säure

Wo stehen wir heute?Wieder aufladbare elektrochemische Energiespeicher

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MW

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Blei-Säure NiCD NiMH Li-Ionen Andere

Blei-Säure Batterien

Fast 90% aller MWh Speicherkapazität

nutzen Blei-Säure Batterien

* wieder aufladbar, ohne Primärbatterien (= entladen + entsorgen)

Quelle: AABC 2016, Christophe Pillot, Avicenne.

The Rechargeble Battery Market and Main Trends 2014-2025

Betrachten wir die wichtigsten Systeme detailliert

Nickel-Technologien

Die Technologie … und ihre Anwendung

Nickel-Zink, Patente ab 1901 … heute am Anfang der Kommerzialisierung

Nickel-Eisen, Patente ab 1908 … Eisenbahn, Sibirien, ausgemustert

Nickel-Cadmium, Patente ab 1909 … Industriebatterien für erweiterte

Temperaturbereiche (bei -30°C in

Flugzeugen oder stationären Anlagen

konkurrenzlos)

Nickel-Metall-Hydrid (NiMH), ab 1962 … seit 1991 im Markt, Millionen von

Hybridfahrzeugen (Prius hybrid, …)

Natrium-Nickelchlorid (Zebra), seit 1985 … Arbeitstemperatur 300-350°C

EVs (Smart, Twingo, Panda, z.B. City of London)

Eisenbahn (General Electric), stationär (FIAMM)


Natrium-Schwefel


Natrium-Schwefel, Patent 1977 … Arbeitstemperatur 300-350°C

Pufferbatterie im Kraftwerk

Redox-Flow-Systeme


Redox-Flow-Systeme … hauptsächlich auf Basis Vanadium

2 Tanks mit Chemikalien,

elektrochemische Zellen für Energiewandlung

nur stationär


Blei-Säure Batterien


Blei-Säure Batterien, seit 1854 Starterbatterien

Gabelstapler

AGV

Rollstühle

Eisenbahn

militärische Anwendung

Flugzeug

Notstromanlagen

Telekommunikation

…


Brennstoffzellen


Brennstoffzellen, seit 1839 … militärische Anwendung

EV, am Anfang der Kommerzialisierung

- z.B. Mercedes, Toyota

- Olympia 2020 in Tokio:

Ziel 6000 Fahrzeuge, 100 Busse

stationäre Anlagen

- Wasserstoff,

- Methanol,

- Äthanol …

Brennstoffzellen

Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff oder organische Flüssigkeiten direkt in elektrische Energie um.

Speichermöglichkeiten für Wasserstoff sind:

● unter Druck, bis 700 bar sind für Fahrzeuge heute schon gebräuchlich

● verflüssigt

● spezielle Nickel-Legierungen speichern große (!) Mengen an WasserstoffNachteil: teuer, schwermilitärische Anwendungen

Verflüssigung und Verdichtung verzehren auch im großtechnischen Maßstab erhebliche Mengen der gespeicherten Energie

Brennstoffzellen

● Balance zwischen Lebensdauer, Wirkungsgrad und Nutzung unterliegt intensiver Forschung bei praktisch allen Fahrzeugherstellen sowie bei Herstellern von militärischen Produkten

● nachteilig ist der Volumenbedarf der Speicher 700 bar mit 170 L für 200 kWh Energie, (Tank 260 L) bei theor. 100% Wirkungsgrad, annähernd 50% des Volumens von Li-Ionen, bei realem Wirkungsgrad von teilweise nur 50% relativiert sich das

● vorteilhaft gegen Li-Ionen ist das Gewicht700 bar mit 6 kg Wasserstoff im ca. 125 kg schweren Tank für 200 kWh Energie(Opel HydroGen4)

verflüssigter Wasserstoff: 400 %

komprimierter Wasserstoff: 312 %

Zum Vergleich:

gepumptes Wasser: 130 %

Blei-Säure Batterien: 130 %

komprimierte Luft : 156 %

Li-Ionen Batterien: 116 %

Superkondensatoren: 109 %

Elektrisch erzeugter Wasserstoff hat einen schlechten Wirkungsgrad

Ideale Speicherung

hätte keine Verluste

Quelle: Ulf Bossel – 17. September 2007, Reykjavik

InputOutput

nutzbare Energie

100 %

Aufbau Brennstoffzellen-System

Brennstoffzelle &

DC/DC Konverter

Anlasser /

Niveauregulierung /

Kompensation

Batterie

Wasserstofftank

Metallgehäuse

Ballast kann

ergänzt werden

für das „Einschalten“ und für Spitzenströme wird die Brennstoffzelle um eine

Li-Ionen / NexSys Batterie ergänzt

Lithium-Ionen Batterie Der typische Aufbau

Cu

Elektrolyt

Separator

EntladungLadung

Lithium, Li

Lithium Ion, Li+

Al

Negative

Elektrode

„Anode“

Positive

Elektrode

„Kathode“

Die verbleibenden Poren

werden mit Elektrolyt

befüllt, der bereits ein

Lithiumsalz enthält.

Lithium-Ionen Batterie Der schematische Aufbau

Cu-AbleiterNeg. Elektrode:

Graphit oderLiTitanat

Pos. Elektrode:LiCoO2 oder

Li-Eisenphosphatoder NMC

Al-Ableiter

Cu-Ableiter : 12-20µm

Separator : 16-35µm

Al-Ableiter : 18-25µm

Die Schichtdicke der aktiven Massen variiert mit der Optimierung,

- dünn für hohe Ströme (pos.: z.B. 40µm, neg z.B. 30µm)

- dick für hohe Kapazität (pos. z.B. 200µm, neg z.B. 150µm)

Der Zoo der chemischen Komponenten… und viele andere mehr

Titanat

Li4V5O12

Kohlenstoff

C

Lithium

Li

Nickel-Mangan-Kobalt

NMC

Nickel-Kobalt-Aluminium

NCA

Nickel Mangan Mangan, Spinell

LMO

Kobalt-Oxid

LCO

Eisen-Phosphat

LFP

3,7V

2,5V

2,2V

3,6V

4,2V

4,2V

4,2V

4,2V

Eine Vielzahl unterschiedlicher elektrochemischer Systeme

LNM

(Sp)LMNCLCOLFP

NCANCMLMO

(Sp)LMFP

Unterschiede zwischen den Bauformenzum Beispiel: die Entladekurven

Zelle

nspannung (

V)

Kapazität (mAh/g)

Cou

rte

sy: M

. K

ruft

, T

od

aE

uro

pa


Lithium-Ionen


Es gibt nicht DIE Li-Ionen Batterie hier einige von vielen Typen

LCO … Handies, Laptops, Dreamliner ...

LMO, LiMn2O4, Spinell … verschiedene Anwendungen

NCA, LiNixCoyAlzO2 … Tesla

LTO, Li4Ti5O12 plus positive Elektrode … Luftfahrt & Raumfahrt

NMC, LiNixMnyCoz … EVs, Europa

LFP, LiFePO4 … EVs, China

LVP, neu im Markt … FFZ

LMP, Lithium-Metall mit Eisenphosphat

(Bolloré)

… EV

Batteriemanagement-Funktionen im Elektrofahrzeug

Engine

ECU

Can

BusBattery

SOC

Model

Demand/

Personality

Module

Log

Book

Chip

Safety

Devices

Vehicle

Managemant

& Displays

Thermal

Managemant

Pumps/Fans

External

Charger or

Alternator

Motor

Energy

Demand

Power

Train

Controller

DC/DC

Converter

Battery

Get you

home

Battery

Control Unit

Radio

Comms

Communications CAN Bus

Battery

Monitoring

UnitTemperatures

Voltages &

Currents

Power out

HV Battery

Power

In/Out

AC

/ D

C P

ow

er

12 Volt

Power Rail

Power

Charging and Equalisation

Bypass

Sensors

Status Ref Test/Program Access /RS485

Switching Signals Control Signals

Power in

Regenerative Braking

Comparator

Decision Logic

Battery Managemant System

Qu

elle

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BC

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Zukunft und EntwicklungschancenDa wäre nur eine Hürde

Vorhersagen sind schwierig, besonders, wenn sie die Zukunft betreffen!(Niels Bohr)

Welche Alternativen sind in Sicht?

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Blei-Säure NiCD NiMH Li-Ionen Andere

NiCd, NiMH, andere sind aktuell keine Alternativen. Li-Ionen ist das einzige, jetztsichtbare Batteriesystem mit nennenswertem Potential, Blei-Säure in der Zukunft in ausgewählten Anwendungen zu ersetzen.Die Brennstoffzelle hat auch das Potential, ist aber ein Energiewandler – keine Batterie, und muss wie ein verbrennungsmotorischer Antrieb aufgetankt werden.

* wieder aufladbar, ohne Primärbatterien (= entladen + entsorgen)

Quelle: AABC 2016, Christophe Pillot, Avicenne.

The Rechargeble Battery Market and Main Trends 2014-2025

… verbrennungsmotorischer Antriebe?Was macht sie so klein und leicht?Verbrenner haben nur den Treibstoff an Bord, nicht die Luft und nicht die Abgase!

Mit 5 L Diesel (9,8 kWh/L) fahren wir z.B. 100 km weit.

5 L Diesel, ca. 4,2 kg, verbrauchen bei der Verbrennung:

● 10,2 m³ Sauerstoff, enthalten in einer 200 bar Druckgasflasche(50 L Gas, 33 kg Flasche = 10 Reservekanister)

5 L Diesel erzeugen bei der Verbrennung:

● CO2 verflüssigt und unter 57 bar Druck 2,4 L im Drucktank

● 5,7 L Wasser

● CO, NOx,

Um daraus wieder Diesel und Sauerstoff zu machen, brauchen wir die passende, mobile chemische Fabrik.

Was leistet die Lithiumbatterie im Vergleich?

Für 100 km Fahrstrecke rechnen wir 20 kWh Verbrauch

(üblicherweise rechnet man 12-16 kWh/100 km…und der Fahrer wundert sich warum die Batterie schon vorher leer ist…)

Für zukünftige Systeme*) werden 310 Wh/L bzw. 870 Wh/kg erwartet.

also für 20 kWh:

64,5 L Bauvolumen23,3 kg Gewichtzzgl. Klimatisierung, Sicherheit, Unfallschutz

Je nach Zellchemie liegen wir heute im Mittel noch bei dem doppelten der Gewichte und Volumina.

Das Laden erfordert keine zusätzlichen Komponenten

* BMWE: IKT für Elektromobilität , Juli 2015

Entwicklungen für die Zukunft

Die Triebfeder zur Entwicklung neuer Speichersystemeist der Automobilbereich.

● NiMH Hybrid-Anwendungen, Prius h …

● Li-Ionen Hybrid- oder Elektrofahrzeuge (xEV)

● Brennstoffzellen- Hybrid-Lösungen mit Li-IonenSysteme Batterien in Elektrofahrzeugen

● Zebra-Batterien Elektrofahrzeuge

NiCd kann man aus Umweltgründen wohl ausschließen.Viele andere Systeme sind in den Labors, aber keines vielversprechend und reif.

Wird das Angebot der verschiedenen Chemienübersichtlicher?

Es ist nicht in Sicht, dass sich die eine oder andere Chemie durchsetzen wird.

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Ton

nen

Chemien der Positiven ElektrodenErwartung bis 2020

LCO NMC NCA LMO LFP

Quelle: Batteries 2012, Christophe Pillot, Avicenne, The worldwide Battery market 2011-2025

Zukunft der großen PKW-Lithium-Batterien

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2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

HEV mit Li-Batterien in Mio. StückVorschau 2008 - 2014

IIT 2007 IIT 2008 IIT 2009

IIT 2010 Reality Avicenne 2007

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2010 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

EV verkaufte Stückzahlenweltweit 2010-2020 in Mio. Stück

IIT (3/11) D Bank (2012)IIT (3/10) R. Berger(2011)R. Berger(2012) Avicenne (2007-2012)

Quelle

: A

AB

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016, C

hristo

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Battery

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Main

Tre

nds 2

014

-2025

Reality

Avicenne Avicenne

Wie wird sich das auf den Traktionsmarkt auswirken?Welche Prognose können wir machen?

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Mio

$

Erwartungen Batteriemarkt 2020: $ 28 Mrd.

Andere

Li-Ionen

Ni-basierend

Blei-Säure

Quelle: AABC 2016, Christophe Pillot, Avicenne, The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2014-2025

Wie engagiert sich EnerSys heute im BereichLi-Ionen Batterien?

● Wir produzieren spezielle Li-Ionen Zellen:

● für Weltraum-Anwendungen

● medizinische Geräte

● Wir produzieren Li-Ionen Batterien aus

zugekauften Li-Ionen Zellen

● militärisches Gerät

● wissenschaftliche Satelliten

Wie engagiert sich EnerSys heute im BereichLi-Ionen Batterien?

● Wir entwickeln für stationäre und Traktionsanwendungen

● Technologie muss ihre Wirksamkeit und Sicherheit in unserem rauen Umfeld noch beweisen

● Technologie Kosten und Risiken sind zur Zeit noch zu hoch um profitabel zu sein

● Wir entwickeln weiterhin fortschrittlichen Bleibatterien für FFZ

● ähnliche Anwendungen (2-Schicht, Zwischenladung)

● setzen unseren Vertrieb in die Lage, die Wettbewerbssituation sachlich neutral zu bewerten

und unsere Kunden optimal zu beraten

Am Ende der Lebensdauer

● Zweites LebenLi-Ionen: Nutzung zur Recht-fertigung der hohen Beschaffungskosten

● RecyclingBlei-Säure: Nutzung bis zum

Ende der Brauchbarkeitsdauer

Li-Ionen: problemlos bei schwachen Batterienaufwändig bei defekten Batterien

Der Rücktransport defekter Li-Ionen Akkus ist aufwändig

Gemäß internationaler Transportvorschriften dürfen Lithium-Ionen-Akkus, die aus Sicherheitsgründen als defekt klassifiziert wurden – was beim Akku des Galaxy Note 7 der Fall ist –, nur noch dann von Dienstleistern wie DHL transportiert werden, wenn sie gemäß SV376 und P908 verpackt werden. Dazu gehört unter anderem eine UN-geprüfte Verpackung (mindestens Verpackungsklasse II), Aufsaugmaterial für den Elektrolyten und ein Polstern und Auffüllen der Verpackung mit einem nicht leitfähigen und nicht brennbaren Wärmedämmstoff. Üblicherweise handelt es sich bei den vorgeschriebenen Verpackungen um gefahrgutzertifizierte Alukisten mit Füllkissen aus Vermiculit.

Bildquelle: c‘t / BMZ GmbH / BatteryUniversity.eu Quelle: Heise online

Recycling, Wertstoffe, InhaltsstoffeBlei-Säure Batterie

● positive aktive Masse: Blei-Oxid, PbO2

● positiver Ableiter: Blei-Legierung

● negative aktive Masse: Blei

● negativer Ableiter: Blei-Legierung

● Elektrolyt: Schwefelsäure, verdünnt

● Gehäuse: PP

● Recyclingquote: >95%

● Kosten: Erstattung, Wertstoffe Blei, PPSchwefelsäureHochofenschlacke …

Recycling, Wertstoffe, InhaltsstoffeLithium-Ionen Batterie

● positive aktive Masse: verschiedene plus Graphit und Binder (Co, Ni)

● positiver Ableiter: Aluminium-Folie,

● negative aktive Masse: Lithium, Graphite plus Graphit und Binder

● negativer Ableiter: Kupferfolie

● Elektrolyt: verschiedene organische Lösungsmittel

● Gehäuse: Kunststoff, Stahl oder metallisierter Kunststoff Pouch (Coffee bag)

● Recyclingquote: nicht zu beziffern

● Kosten: bis zu 5 Euro/kg, 2000 Euro/Tonne

Zukunft und EntwicklungschancenWas erwarten Sie als Kunden?

● Kosteneffizienz (TCO)

● hohe Energiedichte, geringes Bauvolumen, geringes Gewicht

● hohe zeitliche Verfügbarkeit der Systeme, kurze Ladezeiten

● Wartungsarmut, -freiheit

● Leistungsfähigkeit für hohen Lastbedarf

● sichere und einfache Handhabung

● Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen

● Saubere, nachhaltige Technologie(n)

● 2. Leben, Wiederverwertbarkeit, Recycling

● Austauschbarkeit, Standardisierung


verfügbare Kapazitäten

volumetrische Energiedichte

gravimetrische Energiedichte

Energieeffizienz

Zuverlässigkeit, Robustheit

Geometrien

SicherheitGasungsarmut

geringer Wartungsbedarf

lange Lebensdauer

Praxisbewährung

niedriger Invest

TCO

Li-Ionen

IRONCLAD





Energieeffizienz


Geometrien



lange Lebensdauer

Praxisbewährung

niedriger Invest

TCO

Li-Ionen

NexSys





Energieeffizienz


Geometrien



lange Lebensdauer

Praxisbewährung

niedriger Invest

TCO

Li-Ionen

NexSys

IRONCLAD

Des is wia bei jeda Wissenschaft,am Schluss stellt sich dann heraus, dass alles ganz anders war.

(Carl Valentin)

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