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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
Antriebsforschung 5Dr. Tobias Lösche-ter Horst
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
Antriebsforschung 6Dr. Tobias Lösche-ter Horst
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
Antriebsforschung 7Dr. Tobias Lösche-ter Horst
Automotive AnforderungenAutomotive Anforderungen
Lithium-Ionen-BatterieLithium-Ionen-Batterie
Potentiale der Lithium-Ionen-BatteriePotentiale der Lithium-Ionen-Batterie
Neue BatterietechnologienNeue Batterietechnologien
Agenda
Antriebsforschung 8Dr. Tobias Lösche-ter Horst
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
Antriebsforschung 9Dr. Tobias Lösche-ter Horst
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
Antriebsforschung 10Dr. Tobias Lösche-ter Horst
Automotive AnforderungenAutomotive Anforderungen
Lithium-Ionen-BatterieLithium-Ionen-Batterie
Potentiale der Lithium-Ionen-BatteriePotentiale der Lithium-Ionen-Batterie
Neue BatterietechnologienNeue Batterietechnologien
Agenda
Antriebsforschung 11Dr. Tobias Lösche-ter Horst
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*
300 km380 Wh/L*
380 km510 Wh/L*
500 km650 Wh/L*
Antriebsforschung 12Dr. Tobias Lösche-ter Horst
Roadmap Forschungslevel
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
Antriebsforschung 13Dr. Tobias Lösche-ter Horst
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
Antriebsforschung 15Dr. Tobias Lösche-ter Horst
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)
Antriebsforschung 16Dr. Tobias Lösche-ter Horst
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)
Automotive AnforderungenAutomotive Anforderungen
Lithium-Ionen-BatterieLithium-Ionen-Batterie
Potentiale der Lithium-Ionen-BatteriePotentiale der Lithium-Ionen-Batterie
Neue BatterietechnologienNeue Batterietechnologien
Agenda
Antriebsforschung 17Dr. Tobias Lösche-ter Horst
Roadmap Hochenergiebatterien: FestkörperbatterieLithium-Festkörperbatterie
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*
300 km380 Wh/L*
380 km510 Wh/L*
500 km650 Wh/L* 700 km
1000 Wh/L*
Antriebsforschung 18Dr. Tobias Lösche-ter Horst
Roadmap Forschungslevel
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
Antriebsforschung 19Dr. Tobias Lösche-ter Horst
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
?
Antriebsforschung 20Dr. Tobias Lösche-ter Horst
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
Antriebsforschung 21Dr. Tobias Lösche-ter Horst
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!
Antriebsforschung 22Dr. Tobias Lösche-ter Horst
FazitLithium-Festkörperbatterie
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*
300 km380 Wh/L*
380 km510 Wh/L*
500 km650 Wh/L* 700 km
1000 Wh/L*
Antriebsforschung 23Dr. Tobias Lösche-ter Horst
Roadmap Forschungslevel
• 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