WWF Deutschland | Universität xy Datum: 30.07.2013

Wie können Batterien günstiger hergestellt werden?

Ergebnisse des Forscherteams Mobilität des

2°Campus 2013

Datum: 30.07.2013

Gliederung

1. Einleitung

2. Forschungsfrage und Autoren

3. Methode

4. Auswertung

5. Fazit

6. Anwendung

Ziel: maximal 2°Celsius Erderwärmung

Um das zu erreichen, u.a. Verringerung des CO2 – Ausstoßes um 90% in den

Bereichen Energie und Verkehr

Eine der Lösungen: Elektrifizierung des Verkehrs, Umstieg auf E-Autos, die mit

100% Erneuerbarer Energie fahren

Problem: Umstieg auf E-Autos scheitert bisher an geringer Reichweite und

hohen Anschaffungskosten

Hohe Anschaffungskosten liegen vor allem an der Art der Batterie

Momentan führende Batterie bei den E-Autos: LIB(Lithium-Ionen-Batterie)

Datum: 30.07.2013

1. Einführung: der Zusammenhang zwischen

Klimawandel und Mobilität

Datum: 30.07.2013

1. Einführung: Herkömmliche

Kostenverteilung einer Lithium-Ionen-Batterie

• Teuerstes Material =

Kathodenmaterial (46%

des Gesamtpreises)

• Mögliche Alternative =

Ersetzen des

Kathodenmaterials durch

das Anodenmaterial

Graphit, ohne dabei

Kapazitätsleistung,

Wirkungsgrad und

Effizienz der Batterie

einzuschränken

89

31

22

24

13

9 4

Kostenverteilung (in €/kWh) einer LIB

Kathode

Anode

Cu-Folie

Separator

Elektrolyt

Zellgehäuse

Al-Folie

Sommer 2013 5 WWF Deutschland | HNE Eberswalde

Wie können Batterien günstiger hergestellt werden?

2. Forschungsfrage & Autor/innen

Niko Schmidt

Joana-Kristin Hahne

Stefan Eibl

Linus Kuckling

Sergej Rothermel

© WWF/ Arnold Morascher

Sommer 2013 6 WWF Deutschland | HNE Eberswalde

1. Bau einer alternativen Lithium-Ionen-Batterie, bei der sowohl das An- als auch das Kathodenmaterial aus Graphit besteht

2. Testen der alternativen Lithium-Ionen-Batterie hinsichtlich der Kriterien Kapazität / Endkapazität / Wirkungsgrad / Mittlere Entladespannung

3. Methode: der Plan

Datum: 30.07.2013

3. Methode: theoretischer Exkurs - Aufbau

einer herkömmlichen LIB

Anode Elektrolyt Katode

Graphit LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4

e- e-

e- e-

Anode Katode

3. Methode: theoretischer Exkurs - Aufbau

der alternative LIB

L i

X-

X-

X-

X-

X-

L i

L i

L i

L i

L i

X-

Anode Electrolyt Katode

Graphit Graphit

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

Datum: 30.07.2013

4. Methode: die Durchführung –

Bau der alternativen LIB

1. Herstellung der Elektroden

Mischen von Wasser und

Zellulose

Beifügen von Graphitpulver

Aufstreichen auf Aluminium-

und Kupferfolie

Ausstanzen der Elektroden

(d = 12mm)

Erhitzen der Elektroden, um

diese zu trocknen

Auftragen auf Aluminiumfolie

Ofen zum Trocknen der Elektroden

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4. Methode: die Durchführung –

Bau der alternativen LIB und Test

2. Bau einer Swagelok-Zelle

Schutzatmosphäre um Feuchtigkeit

auszuschließen

Propylencarbonat, 1M LiClO4 als Elektrolyt

3. Testen der Batterie

50 Lade-/Entladezyklen

Spannungsgrenzen: 5V – 3V

Swagelok-Zelle

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5. Auswertung: Ergebnisse der Messung

0

20

40

60

80

100

120

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49

0

5

10

15

20

25

Zyklen

Kap

azit

ät in

mA

h

Übersicht über 50 Lade- & Entladezyklen der Batterie

Wir

kun

gsgr

ad in

%

Spezifische Ladekapazität in mAh/g spezifische Entladekapazität in mAh/g Effizienz

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5. Auswertung: Ergebnisse der Messung

• Keine konstante Kapazität messbar

• Endkapazität nicht erreicht (im 50. Zyklus ca.

23 mAh/g; ein herkömmliches Kathodenmaterial

hat eine Kapazität von 100-150 mAh/g)

• Wirkungsgrad bei ca. 97% (normale Batterie 99%)

• Mittlere Entladespannung bei ca. 4,2 V (bei einer

Lithium-Ionen-Batterie-Kathode 3,7 V)

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5. Fazit

• Keine zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der vier

Parameter Kapazität, Endkapazität, Wirkungsgrad und mittlere

Endladespannung erzielt

• Damit Kosten der LIB Batterien gesenkt werden können, muss

weiterhin geforscht werden; Optionen sind:

• Langzeittests mit den Zellen

• Geringere Lade- und Entladeströme (mehr Zeit / Lade- &

Entladevorgang)

• Analytische Untersuchung der Elektroden und des Elektrolyten

• Graphitschicht dünner auftragen

• Suche nach alternativen Materialien

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6. Anwendung: die Erforschung von

kostensparenden LIB Batterien lohnt sich

Breites Anwendungsfeld:

• Elektroautos

• Allgemein als Energiespeicher

• Diverse elektr. Geräte z.B.:

Laptops

Smartphones

Ipods

Etc.

Kontakt

+

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