Energiespeicherung und Lithium-Ionentechnologie

SEC Jahrestagung 2010Dr. Ernst R. Barenschee, Bitterfeld, 04.06.2010

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Li-Tec – JV von Evonik und Daimler

Technologiebasis

10 Jahre

Erfahrung

aus

Evonik R+D Center

2006 Gründung

der Li-Tec Battery

2008 Neue

Shareholderstruktur

Evonik(50.1) /Daimler (49.9)

Eine

der fortschrittlichsten

Infrastrukturen

für Li-Ionenbatterie-Produktionen

in Europa

•

10.000 m2

Produktionsfläche, davon

2.500 m²

Trockenraum, 200 Mitarbeiter

•

Derzeitige

Kapazität

300.000 Zellen

p.a.

•

Zukünftige

Kapazität: Mehr

als

15 Mio Zellen

p.a. (Daimler und andere)

• ISO 9001:2008 Zertifiziert

• TS 16949 Zertifizierung geplant für 2009

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GraphiteMetalloxidePolymere

BinderRusseCu / Al FolienElektrolyte

AnodenKathodenSeparatorAbleiterGehäuse

Einzelzellen BatterienBatterie-

Module

HEV, EVIndustrielle

AnwendungenLEVStat. Energie-

speicherung

Chemikalien Komponenten Zellen Batterien Anwendungen

Positionierung in der Wertschöpfungskette

JV Li-TecEvonik JV Deutsche Accumotive

Page | 409.06.2010 |

Evonik & Daimler - nicht exklusive Allianz entlang der Wertschöpfungskette

Evonik

Industries AG

Evonik Litarion Li-Tec

Daimler AG

Deutsche Accumotive

100 % 50,1 % 10 %49,9 % 90 %

Elektroden & Separator Automotive Zellen BatteriemoduleSeite 4

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| 5

Es gibt viele Gründe, auf Elektromobilität zu setzen

Die Ölreserven sind begrenzt, Öl wird zunehmend teurer

Der Klimawandel erfordert eine Reduktion des CO2 Ausstosses

Feinstaub belastet zunehmend die Innenstädte

Die Ölreserven sind begrenzt, Öl wird zunehmend teurer

Der Klimawandel erfordert eine Reduktion des CO2 Ausstosses

Feinstaub belastet zunehmend die Innenstädte

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Zukünftige Mobilität ist durch die Elektri- fizierung des Antriebstrangs gekennzeichnet

100%

Antriebssystem

Verbrennungs-motor

(Benzin/Diesel)

Hybrid ElektrischesFahren

(emissionsfrei)

0%

Mild Full BatteriePlug-in serial

(Range ext.)

Fuel cell

Stop/ Start

(RSG*)

Plug-in parallel

Elektrifizierungsgrad

*RSG: Riemen-getriebener Starter Generator

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Entstehung eines Multi-Milliarden € Marktes (Angaben nur für PHEVs und EVs)

Trendlinie exponentiell

Fahrzeuge pro Jahr[Stück]

Li-Tec-Zellen

pro Fahrzeug:EV: ca. 100HEV: ca. 35

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Erst durch die Lithium-Ionen Technologie werden erstmals „interessante“ Reichweiten möglich

Fahrleistung in km mit einer 125 kg Batterie

Blei-Säure

125 kg

ca. 5 kWh

Nickel Metall

Hydrid

125 kg

ca. 10 kWh

Lithium-Ionen

125 kg

ca. 25 kWh

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Wesentliche Forderungen an Batterien für automobile Anwendungen

Sicherheit

Leistung

Langlebigkeit

Kein Überhitzen bei Belastung,Kurzschluss, Überladen oder Beschädigung

Viele Lade-

und Entladezyklenfür hohe Reichweite und lange Lebensdauer (8-10 Jahre)

Preis

Verfügbarkeit

Hoher EnergieinhaltSchnelles LadenKaum SelbstentladungFunktion bei jeder Temperatur

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Eine Li-Ionenbatterie besteht aus vier Komponenten:

Anode Kathode

Elektrolyt

Separator

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Kathodenmaterialien nach Struktur und Chemie

Li Metalloxide Li MetallphosphateChemie

Formel

Struktur

Materialien

2D Schichten 3D Spinell 3D Olivin 3D Nasicon

LiMO2 LiM2 O4 LiMPO4 Li3 M2 (PO4 )3

LiCoO2

LiNi0.8 Co0.15 Al0.05 O2

LiNi1/3 Mn1/3 Co1/3 O2

LiMn2 O4 LiFePO4 Li3 V2 (PO4 )3

NCA

NMC

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Vergleich verschiedener Kathodenmaterialien

0

1

2

3

4

5Voltage

Spec. Capacity

Spec. Energy Density

Volum. Energy Density

Rate Capability

Calendar life

Safety

Environmental aspects

LCONCANMCLMOLiFePO4

Quelle: Anderman

5: best

0: worst

Fazit: Es gibt kein Material, welches alle Anforderungen gleich gut erfüllt!

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Anode Elektrolyt Kathode

Aktivmaterial:

Graphit

Organische Karbonate

Leitsalz: LiPF6

Aktivmaterial: LiNiMnCoO2

(NMC)

Ableiter: Cu

(LITARION®)

Separator: keramisch (SEPARION®)

Ableiter: Al

(LITARION®)

Li-Tec Batteriesystem

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Aufbau der Lithium-Ionen-Zelle

Verpackungsschale

Separatorblatt (bis 80 Stk.)

Anodenblatt (bis 40 Stk.)

Kathodenblatt (bis 40 Stk.)

Anoden- & Kathodenableiter

Seite 14

Scale-up

Effekt:

bis zu 100 fach

größere Anoden-, Kathoden-

& Separatorfläche als bei kleinen Zellen → Reduktion der Fehlerhäufigkeit um den

Faktor 100

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Unser Differenzierungsmerkmale im internationalen Wettbewerb

Erhöhte Sicherheit durch keramischen Separator

SEPARION®

Ausgezeichnete elektrische Leistungsdaten

durch spezielle Elektrodenfertigung

Automatisierung von kundenspezifischen

Zellformaten (E-Smart)

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Fertigungsprozess

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Rohstoffe Mischen Auftragen Trocknen QSTrocknenSchnittHärten

Auftrag

Härtung

Inline QC Einrichtung

Abwickeln

Aufwickeln

Trocknung

SEPARION® Herstellprozess

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Querschnitt Aufsicht

PET StützvliesAluminiumoxidkeramik

SEM Aufnahme des SEPARION® Separators

page | 19AABC Europe, Feb 3 2010, MainzPage 19

Abuse Crush Test: 40 Ah CERIO®

Technologie HE Zelle

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SEPARION® erhöht die intrinsische Sicherheit von Li-Ionen Zellen

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Mit keramischen Separator SEPARION®

Nur Rauch, kein Feuer, keine ExplosionMit Kunststoff-SeparatorStarkes Feuer und Explosion

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Rohstoffe Mischen Auftragen Trocknen ZellbauQSSchnittKalandern

AuftragInline QC Einheit

AbwicklungAufwicklung

Trocknung

Elektrodenfertigungsprozess

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| 22

Industrielle Produktion von HE und HP Elektroden

High Tech Beschichtungsprozess

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Schematischer Prozessablauf Zellfertigung

Materialvereinzelung

StapelnAbleiter

anschweißen

Verpackung

Tiefziehen

Verpacken Vorsiegeln Elektrolyt füllen

-

Endsiegeln

- Falten

Anode Separator Kathode

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| 24

Li-Tec Produktportfolio für mobile und stationäre Anwendungen

Super Hybrid EVPHEV

Leistungsdichte7-9 kW/kg 1-1.4 kW/kg 0.25-0.7 kW/kg

Energieinhalt0.5-2 kWh 10-25 kWh1-5 kWh

1.3-3 kW/kg

Station

kWh-MWh

40 Ah High Energy cell40 Ah High Energy Zelle

10 Ah High Energy Zelle

3 Ah Super High Power Zelle

6 Ah High Power Zelle

Batteriemodullösungen & Kundenspezifische Produkte

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Dimensionen 40 Ah CERIO®motive High Energy cell

40Ah High Energy ZelleICS 12/203/245

Physikalische Eigenschaften•

Breite

203 mm +0 / -3 mm

•

Länge L1/L2

245 mm +0 / -2.5 /267 mm +0 / -3 mm

•

Dicke

11,3 mm +0 / -0.6 mm•

Gewicht

1050 +/-

8 g

11.3 –

0.6 mm

245 -

2.5 mm

267 - 3 mm

203 -

3 mm

I C S

Ion Ceramic

Sheet Type

Li-Tec

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Elektrische Eigenschaften der 40 Ah CERIO®motive

High Energy Zelle

Nennspannung

3.6 V

Nennkapazität / 0,5 C (25°

C)

40 Ah

Max Entladungsstrom (10s)

10 C (400A)

AC Impedanz (1 kHz)

< 0,7 mOhm

Gravimetrische Energiedichte

135 Wh/kg

Volumetrische

Energiedichte

241 Wh/l

Zykelfestigkeit* bei 1C/1C >4000 Zyklen

Zykelfestigkeit* bei 2C/2C >2000 Zyklen

UN-T Transportzertifikat

* Zykelfestigkeit

bis 80% der Nennkapazität, 100% DOD (depth of discharge) bei RT

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40 Ah High Energy Zelle: Cycle Life Test bei 1C/1C

1C/1C Cycling HEA40(40A = 1C charge / 40A = 1C discharge, 3.0V..4.2V / 100% DOD)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000 6.500 7.000 7.500

Cycle

Cap

acity

in A

h

Ch. Cap Dis. Cap 80%

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40 Ah High Energy Zelle: Cycle Life Test bei 2C/2C

2C/2C Cycling (2C charge / 2C discharge, 3,0V.. 4,2V / 100% DOD)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000

Cycle

nom

inal

cap

acity

in %

LiTec 40Ah 2C/2CCompetitor 53Ah 2C/2CCompetitor 100Ah 2C/2C80% EOL

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40 Ah High Energy Zelle: 1250 W Pulse Power

Pulse Capability HEA40(SOC 50%; DCH 1250W 1.0Ah (ca. 10s); Pau 20s; CHA 1250W 1.0Ah (ca. 11s); Pau 20s;

cell temperature: 35°C )

-600-500-400-300-200-100

0100200300400500600700800900

0 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 300.000 350.000 400.000 450.000 500.000

Cycle

Cur

rent

in A

00,30,60,91,21,51,82,12,42,733,33,63,94,24,5

Volta

ge in

V

current voltage

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Serienprojekt mit Deutsche Accumotive

Full EV City car E-Smart

•

Elektrische Reichweite 160 km

•

Li-Tec

Zellen Cerio®motiveSerie 2012

Seite 30

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Anzahl Lade- und Entladezyklen entscheidet über Gesamtfahrleistung

- 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 300.000 350.000

500 Zyklen Blei

800 Zyklen NiMH

1500 Zyklen Standard Li-Ionen

Premium Li-Ionen2000 - 2500 Zyklen Premium Li-Ionen

20

25

30

35

40

45

Blei

Ni-MH Standard Li-Ionen

Li-Tec Li-Ionen

Gesamtfahrleistung über die Lebensdauer

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