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Stand der Forschung zur Lithium-Schwefel- Batterie ... · PDF fileChancen und Herausforderungen der Li-S-Batterie Li-Ion Elektrodenmaterialien 500 1000 1500 2000 Kapazität (mAh/g)

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  • Fraunhofer IWS

    1

    Stand der Forschung zur Lithium-Schwefel-

    Batterie: Zuknftige Speicher fr

    Elektrofahrzeuge mit erhhter Reichweite?

    Dr. Holger Althues, Fraunhofer IWS

    17.03.2014

  • Fraunhofer IWS

    2

    Stand der Forschung zur Lithium-Schwefel-Batterie:

    Zuknftige Speicher fr Elektrofahrzeuge mit erhhter

    Reichweite?

    Gliederung

    Anforderungen an Energiespeicher fr Elektrofahrzeuge

    Stand und Entwicklungsperspektiven

    Lithium-Ionen-Technologie

    Lithium-Schwefel-Technologie

    Zusammenfassung

  • Fraunhofer IWS

    3

    Anforderungen an Energiespeicher fr Elektrofahrzeuge

    Source: Toyota, Batteries 2012

    Start/Stop und Mild Hybrid Fahrzeuge

    Flchendeckende Einfhrung und zunehmende

    Elektrifizierung

    Mittelfristig werden sich High-Power-Li-Ion-

    Zellen durchsetzen

    Plug-in Hybrid und Vollelektro-Fahrzeuge

    Markt entwickelt sich langsamer als erwartet

    Flaschenhals sind die Kosten und die limitierte

    Reichweite

  • Fraunhofer IWS

    4

    Anforderungen an Energiespeicher fr Elektrofahrzeuge

    Hauptanforderungen an die EV-Batterie

    Erhhung der Energiedichte fr hohe Reichweiten

    Hohes Leistungsvermgen / Schnellladefhigkeit

    Hohe Lebensdauer

    Zuverlssiges Temperaturverhalten (-20 bis + 40C)

    Kostenreduktion

    Sicherheitsgarantie

    Source: Li-Tec

    Li-Ionen-

    Zelle

  • Fraunhofer IWS

    5

    Anforderungen an Energiespeicher fr Elektrofahrzeuge

    Erforderliche Energiedichte fr EV-Marktpenetration

    Source: Update on US DOE Electric Drive Vehicle R&D and

    Deployment Activities , David Howell, EERE, DOE, August

    2012

    Pack-Ebene:

    225 Wh/kg und 425 Wh/L

    Zell-Ebene

    400 Wh/kg und 800 Wh/L

  • Fraunhofer IWS

    6

    berblick und Vergleich verschiedener Batterietypen

    Verfgbar

    In der Entwicklung

    R & D

    Pb-Acid

    Ni-MH

    Li-ion

    Future Li-ion

    Li-S

    Li-Air

    50 100 200 400

    35-40

    55-70

    120-160

    160 - 300

    > 300

    > 500

    Energiedichte auf Zellebene

    (Wh/kg)

    Rein elektrische Reichweite (km)

  • Fraunhofer IWS

    7

    Li-Ionenbatterie: Funktionsweise

    Schematischer Aufbau:

    Elektrolyt

    Separator

    Cu Al

    Li+

    Li-Metalloxid Graphit

    Kathode Anode

    M = Co, Ni, Mn O2- C

    Li+

    Li+ Li+

    Li+

  • Fraunhofer IWS

    8

    Stand und Entwicklungsperspektiven der Lithium-Ionen-

    Technologie

    Limitierung der Li-Ionen-Technologie: Das

    Kathoden Material

    Stand der Technik: NMC (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)

    Kathodenkapazitt (max. 250 mAh/g)

    begrenzt die Energiedichte

    Kathodenmaterial entspricht 39 % der

    Zellmaterialkosten und 24 % der

    Gesamtzellkosten

    Source: Roland Berger, Batteries 2012

  • Fraunhofer IWS

    9

    Stand und Entwicklungsperspektiven der Lithium-Ionen-

    Technologie

    Perspektiven von Energiedichteerhhung in Lithium-Ionen-Batterien

    Verdichtung

    Hhere Schichtdicke

    Verringerung Anteil Inaktivmaterial

    120-160 Wh/kg

    P:E = 8 Max. 250 Wh/kg

    P:E = 1

    Aktivmaterial-

    Partikel

    Elektroden-

    beschichtung am

    IWS

  • Fraunhofer IWS

    10

    Chancen und Herausforderungen der Li-S-Batterie

    Li-Ion Elektrodenmaterialien

    500 1000 1500 2000

    Kapazitt (mAh/g)

    1 V

    2 V

    3 V

    4 V

    5 V

    Si/C-Komposite

    Sn Hardcarbon

    Graphite

    Li4Ti5O12

    LiFePO4

    LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2

    Sulfur

    Po

    ten

    tial vs L

    i/L

    i+

    4000

    Si Li

    Kathoden

    Materialien

    Anoden

    Materialien

    Faktor 5-8 Kapazitts-

    Gewinn

    Faktor 1,5-2,5 Potential-

    Verlust

    Potential fr EV-Anwendung:

    > 400 Wh/ kg (Zellebene)

    kostengnstige Kathode

    Na

  • Fraunhofer IWS

    11

    Li0 S8 / Li2S

    Anode (-) Kathode (+)

    Li+

    Li S Li

    S S

    S S

    S S

    S

    Li S Li

    S

    Li S

    Li

    - +

    Li+

    Li+ Li+

    Li+

    Li+

    Li+

    S S Li S S

    Li

    Schema der Li-S - Zelle

    Mechanismen Lade/Entladevorgnge in der Li-S-Batterie

    Li-Polysulfide

    Lithium Bis(Trifluoromethanesulfonyl)Imide

    LITFSI

    Elektrolytsystem: 1M LiTFSI

    DME:DOL (1:1 v/v) + 0.25/0.5M

    LiNO3

  • Fraunhofer IWS

    12

    Mechanismen Lade/Entladevorgnge in der Li-S-Batterie

    S.S. Zhang / Journal of Power Sources 231 (2013) 153e162

    Lade- / Entlade-Profil der Li-S - Zelle

  • Fraunhofer IWS

    13

    Stand der Technik: Hersteller - Sion Power

    (http://www.sionpower.com/)

    Sion Power

    Grndung: 1994

    Standort: USA

    Produkt Status: in der Entwicklung

    Kommentar: 2012 investierte BASF 50 Mio $ in SION mit

    dem Ziel EV Batterien zu entwickeln

    Angaben zum bisherigen Zelltyp:

    - Gewickelt prismatisch

    - 2,6 Ah

    - 37 mm x 55 mm x 11 mm

    - 350 Wh/kg

    - 320 Wh/l

    - -20 bis +45C Nutzungstemperatur

    - 30 60 Zyklen @ 100 % DOD

  • Fraunhofer IWS

    14

    Stand der Technik: Hersteller - Sion Power

    (http://www.sionpower.com/)

  • Fraunhofer IWS

    15

    Herausforderungen der Li-S-Batterie

    Grte Herausforderung: Degradation (Zyklenlebensdauer begrenzt auf <

    200 Zyklen!)

    Li0 S8 /

    Li2S

    Anode (-) Kathode (+)

    Li+

    Li S Li

    S S

    S S

    S S

    S

    Li S Li

    S

    Li S

    Li

    - +

    Li+

    Li+ Li

    +

    Li+

    Li+

    Li+

    S S Li S S

    Li

    Schema der Li-S - Zelle

    Niedrige

    Leitfhigkeit von

    Schwefel / Li2S

    Degradation durch

    strukturelle

    Vernderungen

    Li-Metal Instabilitt

    Dendriten

    Elektrolyt-Zersetzung

    Shuttle Mechanismus

  • Fraunhofer IWS

    16

    Kathodendesign fr Li-S-Zellen

    Lsungsmittelfreie Kathodenfertigung

    Schnell, einfach, skalierbar

    Kein Trockungsschritt /

    Lsungsmittelrckgewinnung erforderlich (zur

    Zeit > 30 m Trocknerstrecke / Vakuum

    notwendig)

    Keine Begrenzung der Elektrodendicke

    (dicke Schichten aus Slurry-Beschichtung

    bilden Risse)

  • Fraunhofer IWS

    17

    Neue Materialien fr Li-Schwefel-Batterien

    Kathodendesign

    Porse Kohlenstoffe mit definierten Micro-, Meso-, Macroporen

    3 % Binder, Leitadditiv

    0 10 20 30 40 50 60 70

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    1400

    1600

    1800

    mAh g-1

    cathode

    dis

    ch

    arg

    e c

    apa

    city /

    mA

    h g

    -1

    cycle number

    mAh g-1

    sulfur

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    co

    ulo

    mbic

    eff

    icie

    ncy / %

    Li-Ion-level

  • Fraunhofer IWS

    18

    Si/C Kompositanoden fr Li-S-Batterien

    Prelithiierte Si/C Komposit-Anode in

    Vollzelle mit S/C-Kathode

    keine Elektrolytzersetzung

    keine Dendriten

    hohe Zyklenzahlen mglich

    Allerdings:

    Anode begrenzt durch geringere

    Kapazitt die Gesamtenergiedichte

    Si/C composite anode

  • Fraunhofer IWS

    19

    Si-Anoden

    Legierungsanoden

    Kapazitten bis 4 Ah/g (Si)

    Herausforderung: Volumennderung (>

    300 %) beim Zyklieren

    Mgliche Strukturen zur Kompensation

    von Spannungen:

    Nanopartikel (bis 200 nm

    Durchmesser)

    Nanodrhte (bis 1 m Durchmesser)

    Dnne Schichten ( bis wenige m

    Dicke)

    Sn-Anode1

    Si-Anode2

    2 Elazari, R. et al., Electrochem. Commun., 2012 14, 21-24,

    1 J. Hassoun, B. Scrosati Angew. Chem. 2010, 122, 2421 2424

  • Fraunhofer IWS

    20

    Membranen als Polysulfid-Barriere

    Li-Ionen-leitende Membranen

    knnten Polysulfid-Shuttle verhindern

    Nachweis an Nafion-beschichteten

    Membranen erfolgt (Fh IWS)

    Li0 S8 /

    Li2S

    Anode (-) Kathode (+)

    Li+

    Li S L

    i S S

    S S

    S S

    S

    Li S L

    i S

    Li S

    L

    i

    - +

    Li+

    Li+ Li

    +

    Li+

    Li+

    Li+

    S S L

    i S S

    L

    i

    500

    nm

    Celgard 2500

    500

    nm

    Nafion-beschichtet

  • Fraunhofer IWS

    21 Fraunhofer IWS

    Krzel: Datum und Name der Prsentation

    Finanzielle Untersttzung:

    BMBF-Verbundprojekt: WING-Zentrum:

    Batterie mobil in Sachsen (BaMoSa)

    01.06.2013 31.05.2016

    Aktuelle Projekte: BaMoSa

    Materialentwicklung und Prototyp-Li-S-Zellen aus Dresden

  • Fraunhofer IWS

    22

    Potential der Li-S-Technologie

    SoA (LIB) SoA (Sion-

    Power-Li-S)

    Potential (Li-

    S) GM*

    Potential (Li-

    S) BMW**

    Potential

    (Li-S) -

    IWS

    Grav. Energiedichte

    (Zelle)

    140 - 250

    Wh/kg

    350

    Wh/kg

    550

    Wh/kg

    419

    Wh/kg

    490

    Wh/kg

    Vol. Energiedichte

    (Zell

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