Innovative Batterietechnik für Flurförderzeuge - Hypermotion · Quelle: Ahlberg Tidblad, Berg,...

Innovative Batterietechnik für FlurförderzeugeStand der Technik und Ausblick auf zukünftige TechnologienDr.-Ing. Joachim Hirth – hypermotion / Logistics Digital Conference – Frankfurt a.M. / 20.- 22.11.2017

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Warum eine neue Batterietechnik? - Vergleich mit Blei-Säure - Prognosen über technische und ökonomische Entwicklungspotenziale

Aktueller Stand der Li-Ionen-Technik

In welche Richtung kann sich die Li-Ionen-Technologie weiterentwickeln? - Wo liegen die aktuellen technischen Hürden?

Alternativen zur Blei-Säure- bzw. Li-Ionen-Technik - Ni-Zn-Batterien- Blick über den Tellerrand: Vergleich mit Brennstoffzellen und SuperCaps

Potenzial der Li-Ionen-Technik in Flurförderzeugen- Erkenntnisse aus der Praxis

Übersicht

3 Joachim Hirth – hypermotion / Logistics Digital Conference – Frankfurt a.M. / 20.- 22.11.2017

Innovative Batterietechnik für Flurförderzeuge







Übersicht




Vergleich Blei-Säure- und Li-Ionen-Batterie

Stand der Technik - Vergleich Blei-Säure- und Li-Ionen-Batterie



Blei-Säure Li-IonenSpezifische Energie [Wh/kg] 20..40 80..250

Entladestrom [C] 0,5..2 1..20

Ladezeit mäßig sehr schnell

Entladetiefe [%] < 60 > 90

Selbstentladung [%/Monat] 5..10 < 1

Wirkungsgrad [%] < 82 > 98

zyklische Lebensdauer 1200 > 2500kalendarische Lebensdauer [a] 5 10

Aufwand für die Sicherheit wenig viel

Aufwand für Wartung viel wenig

Kosten Energiespeicherung [ct/Wh] 15 25..30

Quellen: AVICENNE ENERGY Analyses 2015; S. Bauer, Akkuwelt, Vogel Business Media, 13ff, 2017

Weltweiter Umsatz mit Sekundärbatterien


Anschaffungskosten für Li-Ionen-Batterien (Zellen)

Prognose zur Preisentwicklung und Fortschritt der Li-Ionen-Technik



Quelle: S. Bauer, Akkuwelt, Vogel Business Media, 31ff, 2017

Technische Fortschritt der Li-Ionen-Batterien

Weitere Senkung der Materialkosten z.B. durch Substitution des Cobalt

Prognose von Winter/Hörpel, Westfälische Universität Münster: „2020 wird eine Energiedichte von 300 Wh/kg erreicht sein, danach wäre ein signifikanter Technologiesprung notwendig.“







Übersicht




Klassifizierung und Aufbau von sekundären Li-Ionen-Batterien (LIB)



Quelle: D. Bresser, E. Paillard, S. Passerini, Lithium-ion batteries (LIBs) for medium- and large-scale energy storage: current cell materials and components

Schematischer Aufbau einer LIB-ZelleKlassifizierung

LIB


Aktuelle Kathoden- und Anodenmaterialien in Li-Ionen-Batterien



LCO LNO LNCA LNMC LMO LFP LTO

Bezeichnung Lithium-cobaltdioxid

Lithium-nickeldioxid

Lithiumnickelcobalt-aluminiumdioxid

Lithiumnickelmangan-cobaltdioxid

Lithium-manganoxid

Lithiumeisen-phosphat

Lithium-titanat

Kathode LiCoO2 LiNiO2 Li(Ni0,85Co0,1Al0,05)O2Li(Ni0,33Mn0,33Co0,33)O2 LiMn2O4

SpinellLiFePO4Olivine

LMO, LNCA

Anode Graphit Graphit Graphit Graphit Graphit Graphit Li4Ti5O12

Zellspannung[1] 3,7-3,9 V 3,6 V 3,65 V 3,8-4,0 V 3,8-4,0 V 3,3 V 2,3-2,5 V

SpezifischeEnergie <180 Wh/kg[3] <150 Wh/kg 180-250 Wh/kg[3] 180-210 Wh/kg[3] 100-120 Wh/kg 80-130 Wh/kg 85 Wh/kg

Sicherheit[2] - o - o + ++ ++Lebensdauer[2] - o + + ++ +++ +++

Zellkosten* 170 €/kWh[3] 210 €/kWh[3] 200 €/kWh[3] 230 €/kWh[3] 450 €/kWh[3]

Zykluskosten* 0,35 €/kWh[3] 0,20 €/kWh[3] 0,20 €/kWh[3] 0,15 €/kWh[3] 0,10 €/kWh[3]

Quellen: [1] Strukturstudie BWe mobil 2015 – Elektromobilität in Baden-Württemberg, [2] Nitta, Wu et al. 2015 - Li-ion batterymaterials, [3] Mähliß, 10th Battery Experts Forum , AB, 2016,

* Preis 18650 Q4/2014 (Herstellkosten)

LNCA : Weitverbreiteter Einsatz (z.B. Tesla), hohe Energiedichte & LebensdauerLNMC : Heutiger Standard, gute Sicherheit, oft in Mischung mit LMO wegen therm. StabilitätLFP : Hochstromzelle (10-50C); LTO : Hohe Sicherheit & Lebensdauer, niedrige Zellspannung


Eigenschaften der aktuelle Kathodenmaterialien in Li-Ionen-Batterien



Quellen: Nitta, Wu et al. 2015 - Li-ion battery materials;

Entladekennlinien Eigenschaften Li(NixMnyCoz)O2-Mischoxide







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Derzeitige Elektrodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien



Quelle: P. Bieker, M. Winter, Chem. Unserer Zeit, 2016, 50, 172-186

Aktueller Stand der Technik:Heute werden hautsächlich 4V-Kathoden-materialien in Kombination mit Graphit-Anoden eingesetzt.Die Energiedichte wird derzeit haupt-sächlich durch das Kathodenmaterial begrenzt.

= E / m = U Q / m [Wh kg-1]


Zukünftige Elektrodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien



Quellen: P. Bieker, M. Winter, Chem. Unserer Zeit, 2016, 50, 172-186; A. Jossen, TUM, E-Motion-Days, Innsbruck 21.10.2016

In naher Zukunft:- Hochkapazitive Anoden

auf Systemebene max. 25% mehr spez. Energie

- Hochvoltkathodenauf Systemebene max. 20% mehr spez. Energie

- Hochvoltstabile Elektrolyte

In ferner Zukunft:- Problem nur lösbar durch hochkapazitive

Kathoden, wie z.B. Li-Luft oder Li-Schwefel kein Vorteil gegen über Li-Ionen bzgl. Volumen


Aktuelle technologische Hürden der Li-Ionen-Technik



Hochkapazitive Anoden (z.B. Silizium)

Starke Volumenänderung, mechanische Beanspruchung

Kurze Lebensdauer durch Verbrauch von Li+/Elektrolyt

5-Volt-Kathoden (z.B. LMNC, LNMO, LCPO)

Elektrolytzersetzung durch Oxidation

Kurze Lebensdauer durch Verlust an Elektrolyt

z.Zt. Nanomaterialien oder Komposit-Anoden

Aktuelle Lösung bzw. Forschung:Problematik:

hochvoltstabile Elektrolyte oder z.Zt. Titanat-Anoden

Technologische Ansätze: Auswirkung:

Hochkapazitive Kathoden (Li-Ionen-Systeme)

Keine den Anoden vergleichbare Materialien in Aussicht

Begrenzte Energiedichte (Flaschenhals)

z.Zt. noch keine praxisrelevante Lösung

in Aussicht

Li-Schwefel (Li-Metall-Systeme)

Zahlreiche, wie z.B. Stabilität, schlechte Leitfähigkeit, hohe Selbstentladung, …

Li-Luftsauerstoff (Li-Metall-Systeme)

Zahlreiche, z.B.: Gasdiffusionselektrode, Elektrolytstabilität, aufwendige Luftreinigung, Li-Metall reagiert mit Stickstoff , …







Übersicht




NiZn-Batterien als Alternative zu Blei-Säure-Batterien



Parameter:Spezifische Energie : >70 Wh/kgVol. Energiedichte : 280 Wh/LSpezifische Leistung : >2000 W/kgZellspannung : 1,65 VAnzahl der Zyklen : 800

Vorteile:- Spez. Energie 2x höher als Pb-Säure- Niedrige Impedanz (50C Entladen)- Flache Entladecharakteristik- Sehr gute Schnellladefähigkeit- Wartungsfrei- Großer Temperaturbereich- Bis zu 50% billiger als Li-Ionen- Keine / einfache Elektronik (BMS)

Nachteile:- Hohe Selbstendladungsrate- Dentritenwachstum auf der Zn-Elektrode

Quelle: Ricardo Consulting, AABC

Specific Energy


Blick über den Tellerrand: Vergleich Li-Ion vs. Super Cap vs. FCH



Ragone-DiagrammQuelle: Ahlberg Tidblad, Berg, Edström, Johansson, Matic (Swedish Electric & Hybrid Vehicle Centre) 2015 Batteries – present and future challenges

LIB Super Cap Brennstoffzelle

Hohe grav. Energiedichte

Sehr niedrigeEnergiedichte

Sehr hoheEnergiedichte

Hohespez. Leistung

Sehr hohespez. Leistung

Geringe spez. Leistung

Pufferung notw.

Teuer Sehr teuer Sehr teuer(H2 : 7-9 €/kg)*

Effizienz 98%

Effizienz < 50%

Effizienz ausgehend von H2

< 60%

Langsames Laden

Schnelles Laden, Limitierung durch

Infrastruktur

Schnelles Tanken

* H2 Energieinhalt: 33,3 kWh / kg







Übersicht




Mögliche Arbeits- und Ladestrategien



1. Schicht 2. Schicht 3. Schicht 1. Schicht 2. Schicht 3. Schicht

IC-Truck

E-Truck(Blei-Säure)

3-Schicht

E-Truck1-Schicht

E-Truck(Li-Ion)

2-Schicht

E-Truck(Li-Ion)

3-Schicht

*1

*1: Zeitpunkt ist abhängig von der Batteriekapazität.Batteriewechsel Tanken Laden


Prozessintegriertes Laden (PIC) im 3-Schichtbetrieb



Betriebsdauer : < 18 h / dLadezeiten : 20..60 min

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

14.03.2016 15.03.2016 16.03.2016 17.03.2016 18.03.2016 19.03.2016 20.03.2016

Pausenzeit [h] Ladezeit [h] SOC Ladequote

Li-Ionen-Batterie: 13 kWh, 48VLadegerät: 18 kW

Fahrzeug: Linde BR386

Eine Li-Ionen-Batterie kann vier Blei-Säure-Batterien ersetzen!


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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