Post on 10-Aug-2020
transcript
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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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)
Betrachten wir die wichtigsten Systeme detailliert
Natrium-Schwefel
Die Technologie … und ihre Anwendung
Natrium-Schwefel, Patent 1977 … Arbeitstemperatur 300-350°C
Pufferbatterie im Kraftwerk
Redox-Flow-Systeme
Die Technologie … und ihre Anwendung
Redox-Flow-Systeme … hauptsächlich auf Basis Vanadium
2 Tanks mit Chemikalien,
elektrochemische Zellen für Energiewandlung
nur stationär
Betrachten wir die wichtigsten Systeme detailliert
Blei-Säure Batterien
Die Technologie … und ihre Anwendung
Blei-Säure Batterien, seit 1854 Starterbatterien
Gabelstapler
AGV
Rollstühle
Eisenbahn
militärische Anwendung
Flugzeug
Notstromanlagen
Telekommunikation
…
Betrachten wir die wichtigsten Systeme detailliert
Brennstoffzellen
Die Technologie … und ihre Anwendung
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
Betrachten wir die wichtigsten Systeme detailliert
Lithium-Ionen
Die Technologie … und ihre Anwendung
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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so
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op
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shop A
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
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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
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Battery
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014
-2025
Reality
Avicenne Avicenne
Wie wird sich das auf den Traktionsmarkt auswirken?Welche Prognose können wir machen?
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Mio
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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
Zukunft und EntwicklungschancenWas erwarten Sie als Kunden?
verfügbare Kapazitäten
volumetrische Energiedichte
gravimetrische Energiedichte
Energieeffizienz
Zuverlässigkeit, Robustheit
Geometrien
SicherheitGasungsarmut
geringer Wartungsbedarf
lange Lebensdauer
Praxisbewährung
niedriger Invest
TCO
Li-Ionen
IRONCLAD
Zukunft und EntwicklungschancenWas erwarten Sie als Kunden?
verfügbare Kapazitäten
volumetrische Energiedichte
gravimetrische Energiedichte
Energieeffizienz
Zuverlässigkeit, Robustheit
Geometrien
SicherheitGasungsarmut
geringer Wartungsbedarf
lange Lebensdauer
Praxisbewährung
niedriger Invest
TCO
Li-Ionen
NexSys
Zukunft und EntwicklungschancenWas erwarten Sie als Kunden?
verfügbare Kapazitäten
volumetrische Energiedichte
gravimetrische Energiedichte
Energieeffizienz
Zuverlässigkeit, Robustheit
Geometrien
SicherheitGasungsarmut
geringer Wartungsbedarf
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)