Das Ziel der Arbeit ist die Analyse und Bewertung bestehender und zukünftig in Betracht kommender Lithium-Ionen-Batteriesysteme, die im Zusammenhang mit der Elektromobilität stehen. Hierbei wird der Fokus gezielt auf die Technologie des Lithium-Ionen-Festkörper-Akkumulators gelegt, dieser wird im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit hinsichtlich der Kriterien der Ökologie und Ökonomie auf Basis bereits vorhandener Forschungsergebnisse und Studien analysiert. Um die Erkenntnisse richtig einzuordnen und zu bewerten, ist es vorab notwendig, die konventionellen Lithium-Systeme in der Elektromobilität zu betrachten.
Anfänglich eröffnet sich in diesem Zusammenhang die Fragestellung: Welche Lithium-Ionen-Systeme sind in der Elektromobilität bereits verfügbar und kommen als Traktionsbatterie zum Einsatz? Eine erste Antwort diesbezüglich soll die Vorstellung der verschiedenen Systeme liefern. Des Weiteren werden charakterisierende Merkmale der einzelnen Technologien aufgezeigt. Im weiteren Verlauf liegt der Fokus im Besonderen auf der Konkretisierung der Anforderungsaspekte an das Batteriesystem im Elektrofahrzeug, um eine aufschlussreiche Bewertung zu ermöglichen.
In Anbetracht dessen kommt es zu folgender weiterer Frage: Was sind die ausschlaggebenden Merkmale eines Akkumulators in Bezug auf die Verwendung im Elektrofahrzeug und welche Zielwerte gilt es zu erreichen? Die Bestimmung der Zielwerte stützt sich dabei zum einen auf bestehende Annahmen unterschiedlicher Institutionen und gesetzliche Anforderungen und zum anderen auf aktuelle Kundenbedürfnisse. Im weiteren Verlauf werden anhand dieser Zielwerte die vorgestellten Technologien einzeln bewertet. Dabei werden vor allem die technischen, die ökonomischen und die ökologischen Potenziale des Festkörper-Akkumulators analysiert und herausgestellt, um die folgende Hypothese des Autors zu bekräftigen:
„Der Lithium-Ionen-Festkörper-Akkumulator kann die konventionellen Lithium-Ionen-Systeme in den nächsten 5 bis 10 Jahren ersetzen“.
Zu erwähnen ist, dass sich ökologische und ökonomische Aspekte nicht klar von technischen und sozialen Kriterien abgrenzen lassen, da diese Kriterien einen signifikanten Einfluss aufeinander haben. Daher ist es notwendig, die jeweiligen Technologien hinsichtlich all dieser genannten Aspekte und Kriterien zu analysieren und zu bewerten.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Aufgabenstellung und Umfang der Arbeit
1.3 Struktur der Thesis
2 Grundlagen
2.1.1 Primär- und Sekundärzellen
2.1.2 Prinzipieller Aufbau einer elektrochemischen Zelle
2.1.3 Elektroden
2.1.4 Separator
2.1.5 Elektrolyt
2.1.6 Bauformen von elektrochemischen Zellen
2.1.7 Funktionsweise der elektrochemischen Energiespeicherung
2.2 Kenngrößen elektrochemischer Energiespeicher
2.2.1 Spezifische Energiedichte (gravimetrisch) [Wh/kg]
2.2.2 Spezifische Energiedichte (volumetrisch) [Wh/L]
2.2.3 Spannungslage [V]
2.2.4 C-Rate
2.2.5 Lebensdauer
3 Vorstellung elektrochemischer Energiespeicher
3.1 Lithium-Batteriesysteme
3.1.1 Lithium-Kobalt-Oxid (LCO)
3.1.2 Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) Kathode
3.1.3 Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA) Kathode
3.1.4 Lithium-Mangan-Oxid(-Spinell) (LMO) Kathode
3.1.5 Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) Kathode
3.1.6 Lithium-Metall Anode
3.1.7 Amorphe Kohlenstoff-Anode
3.1.8 Graphit Anode
3.2 Feststoffakkumulator
3.2.1 Aufbau Festkörperzelle
3.2.2 Feststoffelektrolyt
3.2.3 Kathode
3.2.4 Anode
3.2.5 Funktionsweise und Kenngrößen
4 Anforderungsaspekte an Akkumulatoren im Elektrofahrzeug
4.1 Einführung
4.2 Ökologische Aspekte
4.3 Ökonomische Aspekte
4.4 Technische Aspekte
4.4.1 Reichweitenanforderung - Energiedichte
4.4.2 C-Rate
4.4.3 Lebensdaueranforderung
4.4.4 Sicherheitsanforderung
5 Bewertung der vorgestellten Technologien
5.1 Methodik
5.2 Analyse und Bewertung konventioneller Zellsysteme
5.2.1 Lithium-Kobalt-Oxid (LCO)
5.2.2 Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC)
5.2.3 Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA)
5.2.4 Lithiummanganspinell (LMO)
5.2.5 Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) Kathode
5.3 Analyse und Bewertung Feststoffakkumulator
6 Schlussfolgerung
7 Zusammenfassung und Fazit
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit analysiert die ökologischen und ökonomischen Potenziale der Feststoffbatterie im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batteriesystemen für die Elektromobilität, um zu bewerten, ob diese Technologie langfristig die bestehenden Speichersysteme ersetzen kann.
- Technologische Grundlagen von Lithium-Ionen-Batterien und Feststoffakkumulatoren
- Definierung und Analyse von Anforderungsaspekten an Traktionsbatterien
- Ökologische Bewertung der Wertschöpfungskette und Rohstoffproblematik
- Ökonomischer Vergleich hinsichtlich Kosten und Produzierbarkeit
- Bewertung der Leistungsdaten und Sicherheitsmerkmale verschiedener Batterietechnologien
Auszug aus dem Buch
3.2.1 Aufbau Festkörperzelle
Der elementare Zellaufbau einer Lithium-Festkörperzelle ist der einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Zelle mit flüssigem Elektrolyt ähnlich (vgl. Kapitel 2.1.2). Die Zelle besteht hierbei aus den bekannten Komponenten, der Kathode, der Anode, den Stromableitern, dem Gehäuse und einem Elektrolyten aus einem Feststoff, welcher gleichzeitig die Funktion des Separators übernimmt.105 Der prinzipielle Unterschied hierbei ist, dass die gesamte Zelle dünner ausgeführt werden kann. Dies wird durch den verhältnismäßigen dünnen Festelektrolyten ermöglicht.106 Zudem lässt diese Technologie die Verwendung von hoch energetischen Aktivmaterialien zu107, welche bisher in konventionellen Batterien nicht zum Einsatz kommen (vgl. Kapitel 3.1.6). Zudem können Festkörper-Zellen in Serie miteinander vernetzt werden, ohne dass sich eine Notwendigkeit für ein individuelles Gehäuse ergibt. Diese Vorteile senken den Anteil an inaktivem Material zwischen sowie innerhalb der Zellen deutlich und erhöhen somit die Energiedichte.108 Für bestimmte Produkte wie etwa Elektroautos, in denen Raum Mangelware ist, stellt dies einen großen Vorteil dar. Allerdings ist auch ein entscheidender Nachteil damit verbunden. Individuelle Zellmanagementkontrollen sind bei dieser Zellanordnung nicht mehr möglich, weshalb eine sehr vorsichtige Bilanzierung der Kapazität auf Zellniveau notwendig ist.109
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die aktuelle Transformation der Automobilbranche und die zentrale Herausforderung der Energiespeicherung ein, wobei das Ziel der Arbeit, die Analyse der Feststoffbatterie, formuliert wird.
2 Grundlagen: Hier werden das Prinzip der elektrochemischen Zelle, deren Bestandteile sowie die wesentlichen technischen Kenngrößen wie Energiedichte, Spannung, C-Rate und Lebensdauer erläutert.
3 Vorstellung elektrochemischer Energiespeicher: In diesem Kapitel werden gängige Lithium-Batteriesysteme und die vielversprechende Feststoffakkumulator-Technologie hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Eigenschaften detailliert vorgestellt.
4 Anforderungsaspekte an Akkumulatoren im Elektrofahrzeug: Es werden die technischen, ökonomischen und ökologischen Kriterien definiert, die als Zielwerte für die Bewertung von Traktionsbatterien dienen.
5 Bewertung der vorgestellten Technologien: Anhand einer Methodik und Zielwerten erfolgt die Analyse und Einstufung der konventionellen Zellsysteme sowie des Feststoffakkumulators unter Zuhilfenahme von Netzdiagrammen.
6 Schlussfolgerung: Die Ergebnisse der Bewertung werden zusammenfassend gegenübergestellt, um die Relevanz und Zukunftsaussichten der Feststofftechnologie im Vergleich zu etablierten Systemen zu diskutieren.
7 Zusammenfassung und Fazit: Die Arbeit schließt mit einer Bewertung ab, die hervorhebt, dass Feststoffakkumulatoren technologische Vorteile bieten, jedoch noch vor wirtschaftlichen Herausforderungen stehen.
Schlüsselwörter
Feststoffbatterie, Elektromobilität, Lithium-Ionen-Batterien, Energiedichte, Nachhaltigkeit, Akkumulator, Traktionsbatterie, Batterietechnologie, Rohstoffbedarf, Sicherheit, Zellchemie, Kostenanalyse, Nachhaltige Mobilität, Festelektrolyt.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Analyse und Bewertung verschiedener Batterietechnologien für Elektrofahrzeuge, mit einem besonderen Fokus auf dem Potenzial von Feststoffakkumulatoren.
Welche zentralen Themenfelder werden in der Thesis behandelt?
Die zentralen Themen umfassen die technischen Grundlagen heutiger Batteriesysteme, die ökologischen Herausforderungen bei der Rohstoffgewinnung, ökonomische Aspekte wie Kosten und Produzierbarkeit sowie sicherheitsrelevante Eigenschaften der Speicher.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Hauptziel ist es zu prüfen, inwieweit der Lithium-Ionen-Festkörper-Akkumulator die konventionellen Lithium-Ionen-Systeme in den nächsten 5 bis 10 Jahren ersetzen kann.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Bewertung verwendet?
Es wird eine vergleichende Analyse durchgeführt, bei der die Technologien anhand spezifischer technischer, ökonomischer und ökologischer Zielwerte bewertet werden. Die Visualisierung erfolgt mittels Zielspinnen und Netzdiagrammen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in technische Grundlagen, die Vorstellung aktueller Batterietypen, die Ableitung notwendiger Anforderungsaspekte sowie die detaillierte Bewertung der verschiedenen Technologien anhand der definierten Kriterien.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die wichtigsten Begriffe sind Feststoffbatterie, Elektromobilität, Energiedichte, Nachhaltigkeit und Batterietechnologie.
Welche ökologischen Hauptprobleme werden für die aktuelle Batterietechnologie identifiziert?
Die Arbeit nennt insbesondere den kritischen Abbau metallischer Rohstoffe wie Kobalt und Nickel, die ökologische Belastung der Abbauregionen sowie die Herausforderungen beim Recycling als primäre ökologische Nachteile.
Welche spezifischen Vorteile bietet die Feststoffbatterie laut dem Autor?
Die Feststoffbatterie punktet laut den Analysen mit einer potenziell höheren Energiedichte, einer besseren thermischen Stabilität und einer erhöhten Sicherheit, da auf flüssige Elektrolyte verzichtet werden kann.
- Arbeit zitieren
- Christian Maenz (Autor:in), 2022, Zur Durchsetzbarkeit der Feststoffbatterie in der Elektromobilität. Ökologische und ökonomische Potenziale des Feststoffakkumulators für die Elektromobilität, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1278916
