Energiespeicherung und Lithium-Ionentechnologie SEC ... · Energiespeicherung und...
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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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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
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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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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
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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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Schematischer Prozessablauf Zellfertigung
Materialvereinzelung
StapelnAbleiter
anschweißen
Verpackung
Tiefziehen
Verpacken Vorsiegeln Elektrolyt füllen
-
Endsiegeln
- Falten
Anode Separator Kathode
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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
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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