Batterien als Bestandteil zukünftiger · PDF fileAutomotive Anforderungen Lithium-Ionen-Batterie Potentiale der Lithium-Ionen-Batterie Neue Batterietechnologien Agenda Antriebsforschung

Batterien als Bestandteil zukünftiger AntriebstechnikVolkswagen AG | Konzernforschung Antriebe | Dr. Tobias Lösche-ter Horst 4. Kompetenztreffen Elektromobilität, Essen, 4.11.2015

Automotive AnforderungenAutomotive Anforderungen

Lithium-Ionen-BatterieLithium-Ionen-Batterie

Potentiale der Lithium-Ionen-BatteriePotentiale der Lithium-Ionen-Batterie

Neue BatterietechnologienNeue Batterietechnologien

Agenda

Antriebsforschung 2Dr. Tobias Lösche-ter Horst

Mögliche Entwicklung nachhaltiger Energien im Automobilsektor

PlugIn

Range Extender

FCEV

ICE

Langstrecken-

BEV

BEV

ICE

Hybrid

Zeit

Ener

gie

(100

%)

Kurzstrecken-mobilität

Bio-kraftstoffe

Konventionelle Kraftstoffe

Elektrizität

Langstrecken-mobilität

3Dr. Tobias Lösche-ter HorstAntriebsforschung

Mobilitätsbedürfnisse – Urbane Räume und Langstrecken

e-Golf e-up!

e-Caddy

918 Spyder

Golf GTE

XL1

Golf TwinDrive

Passat HyMotion

Passat GTEQ5 Hybrid

Jetta Hybrid

Cayenne Hybrid

Touareg Hybrid

Panamera Hybrid

4Dr. Tobias Lösche-ter HorstAntriebsforschung

Elektrische Leistung / Energie Verhältnis der Antriebskonzepte

P/E-Verhältnis

BEV HEVPHEV

P/E = Elektrische Antriebsleistung (Peak)Energieinhalt der Traktionsbatterie


Grav. Energiedichte [Wh/kg]

Batteriezellen HEV, PHEV, BEV

Gra

v. L

eist

ungs

dich

te[W

/kg]

1000

2000

3000

3000

0

P/E = 20

P/E = 5

4000

100 200

5000

6000

P/E = 10


Grav. Energiedichte [Wh/kg]

Batteriezellen HEV, PHEV, BEV

Gra

v. L

eist

ungs

dich

te[W

/kg]

1000

2000

3000

3000

0

P/E = 20

P/E = 5

4000

100 200

5000

6000

P/E = 10






Agenda


Roadmap Hochenergiebatterien: Li-Ionen-Batterie

Neue Batterie-technologien

Konventionelle Lithium-IonenTechnologie

Elektrische Reichweite in km

2010 2020

* Energiedichte bezogen auf Zelle

100

200

300

400

500

600

2030

700


190 km260 Wh/L*

Roadmap Forschungslevel

Reiner E-Antriebe-Golf

CombinedCharging System

Lithium-Ionen Batterie• Energieinhalt: 24,2 kWh• Gewicht: 318 kg• Reichweite: 190 km

• Elektromotor: Permanenterregte Synchronmaschine

• Elektromotor mit 85 kW• Drehmoment: 270 Nm

Antrieb






Agenda


Roadmap Hochenergiebatterien: Li-Ionen-Batterie




2010 2020


100

200

300

400

500

600

2030

700

190 km260 Wh/L*

300 km380 Wh/L*

380 km510 Wh/L*

500 km650 Wh/L*



KathodenmaterialienSchlüsselfaktoren: Kosten, Energie & Leistung

NMC 622

NMC 811

NCA Li-reiches

NMC

Energie + ++ ++ ++

Sicherheit - -- -- --

Lebensdauer - - - --

Leistung o o o -

Kosten o - - +

Wirkungsgrad o o o o

Technologiereife> 40 Ah Zellen


0

1000

2000

3000

4000

5000

NMC 111 NMC 622 NMC 811 NCA Li-reichesNMCPr

aktis

che

Ener

gied

icht

e[W

h/l]

Praktische 1C-volumetrische Energiedichte

Kathodenmaterial nickelreiches NMC

Herausforderungen und Forschungsaktivitäten:

• Entwicklung eines elektrochemisch stabilen

Elektrolyten bis 4.4 V

• Sicherheit bei höheren Nickelkonzentrationen

• Konzentration auf die Wechselwirkung zwischen

Elektrode/Elektrolyt für eine verbesserte Leistung

der Zelle (PHEV)

Co

Mn Ni

KostenSicherheitKapazität

KapazitätSicherheit

KostenStabilität

14

TOP Thema auf der Anodenseite: Siliciumhaltige Anode!

Fazit Intensive Silicium Anodenforschung bei den asiatischen Firmen!

Silicium Anode : Jährliche Anmeldungen

Quelle: Pat-Base

Patentanmeldungen


Anodenmaterial Silicium

Amorphes Si 1 Li+ in 8-gliedrigem Si-Ring Li15Si4

0

750

1500

2250

3000

3750

Graphit Silicium (20%Aktivmaterialanteil)

met. Lithium

theo

r. Sp

ez. K

apaz

ität (

mAh

/g)


Herausforderungen und Forschungsaktivitäten:

1) SEI: Solid Electrolyte Interface

• hohe Volumenänderung (~300% von Si zu Li15Si4) führt zur Degradation der Anode

• irreversibler Kap.-verlust in Folge der SEI1) –Bildung

• geringe elektrische Leitfähigkeit von Silicium

1) SEI: Solid Electrolyte Interface

Ansatz:• Bildung von amorphen LixSiy-Phasen • Silicium hat eine 10-fache höhere

Speicherkapazität (Li15Si4: 3578 Ah/kg - LiC6: 372 Ah/kg)





Agenda


Roadmap Hochenergiebatterien: FestkörperbatterieLithium-Festkörperbatterie




2010 2020


100

200

300

400

500

600

2030

700

190 km260 Wh/L*

300 km380 Wh/L*

380 km510 Wh/L*

500 km650 Wh/L* 700 km

1000 Wh/L*



16 Li + S8 8 Li2S

e- e-

V

Lithium-Schwefel-Batterie

Forschungsbedarf• Festelektrolyte• Materialstrukturierung auf Nanometerskala – Core-Shell Technologie• Metallisches Lithium als reversible Anode

Herausforderungen

• Zyklenstabilität / Löslichkeit der Polysulfide hohe Selbstentladung hoher irreversibler Kapazitätsverlust

• Praktische Energiedichten vs. Theorie• Leistung Schwefel und Lithiumsulfid sind Isolatoren

• Metallisches Lithium Dendritenwachstum


Li2O2Poröse Kohlenstoff

Kathode

Elek

trol

yt

O2Lith

ium

Li+

Ve- e-

2 Li + O2 Li2O2

Herausforderungen• Reversibilität der Zellreaktion Überspannung / Hysterese Instabilität der Elektrolyte

• Reaktionen und Katalyse an den Phasengrenzen? Katalysatoren derzeit nicht spezifisch für die

Reaktion• Offenes System• Metallisches Lithium Dendritenwachstum

Lithium-Sauerstoff Batterie

Forschungsbedarf• Aufklärung der Reaktionsmechnismen• Materialstrukturierung auf Nanometerskala – Core-Shell Technologie• Festelektrolyte• Metallisches Lithium als reversible Anode

?


Feststoffbatterie vs. Batterie mit flüssigem ElektrolytenLi-Ionen-Zelle mit flüssigem Elektrolyt

• Der Flüssigelektrolyt ist gleichmäßig über die gesamte Zelle verteilt (in porösen Elektroden und Separator)

• Die Lithium-Ionen können gleichmäßig durch flüssige Phase diffundieren

Graphit

Ve- e-

Elektrolytflüssig verteilt

Separator (20 µm)

Kupfer

Anode Kathode

Aluminium

(70 µm)(70 µm)

Entladen


Feststoffbatterie

• Lithium-Ionen müssen bei Lade- und Entladevorgängen durch mehrere Feststoffphasen und Grenzflächen diffundieren

Anode Elektrolyt Kathode GrenzflächeGrenzfläche

Ve-

Kupfer

Anode Kathode

e-

Kathode + Festelektrolyt(mit internen

Grenzflächen)

metallischesLithium

Entladen

Aluminium

Festelektrolyt, auch Separator (10-20 µm)

(20 µm) (70 µm)

Ansätze

Ausrichtung Festkörperbatterie mit Keramik oder Polymerelektrolyt

Herausforderungen

• Widerstand an den Grenzflächen zwischen Festelektrolyt und Elektroden und relativ niedrige Leitfähigkeit=> niedrige Lade- / Entladerate=> Betriebstemperatur 40-80 °C

• oxidative und reduktive Stabilität=> oft sind Hybrid-Systeme mit zweiverschiedenen Elektrolyten notwendig

• Volumenänderung an der Lithiumanode

LiPF6

LiPF6

LiPF6

LiPF6

LiPF6LiPF6

LiPF6

LiPF6

Polymerelektrolyt

Keramikelektrolyt

• oxidischer Keramikelektrolyt, Li6.06Al0.196La3Zr2O12(Granat): ~10-3 S/cm (25 °C)

• Sulfidischer Keramikelek-trolyt, Li10GeP2S12: ~10-2 S/cm (25 °C)

• Polymer basierend auf Polyethylenoxid (PEO): ~10-5 S/cm (25 °C)

Fazit Intrinsisch sichere Li-Hochenergie-Batterien möglich!


FazitLithium-Festkörperbatterie




2010 2020


100

200

300

400

500

600

2030

700

190 km260 Wh/L*

300 km380 Wh/L*

380 km510 Wh/L*

500 km650 Wh/L* 700 km

1000 Wh/L*



• Konzentration auf Lithium-Ionen-Technologie – Potential als auch Entwicklungsgeschwin-digkeit höher als vor einigen Jahren prognostiziert

• Potential der Lithium-Schwefel-Technologie ist schwer einschätzbar• Lithium-Luft Forschung momentan universitär• Zunehmende Aktivitäten im Gebiet Festkörperbatterie mit großen Herausforderungen

Vielen Dank!


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