Bestehende Batterietechnologien und Entwicklungspotenziale künftiger Generationen von elektrochemischen Energiespeichern in Bezug auf die Elektromobilität

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abstract

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung und Umfang der Arbeit
1.3 Aufbau der Arbeit

2 Grundlagen
2.1 Technologiebeschreibung
2.1.1 Primär- und Sekundärzellen
2.1.2 Aufbau und Funktionsweise einer elektrochemischen Zelle .
2.1.3 Hochenergie- und Hochleistungszellen
2.1.4 Bauformen von Lithium-Ionen-Zellen
2.1.5 Traktionsbatteriesystem
2.2 Verfahren zur vergleichenden Bewertung von Fahrzeugen .
2.2.1 "Neuer Europäischer Fahrzyklus" (NEFZ)
2.2.2 "Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedure" (WLTP)
2.3 Kenngrößen elektrochemischer Energiespeicher
2.3.1 Spannungslage, Energie- und Leistungskenndaten
2.3.2 C-Rate
2.3.3 Zustandsgrößen der Batterie
2.3.4 Lebensdauer der Batterie
2.4 Vorstellung der verschiedenen elektrochemischen Energiespeicher
2.4.1 Blei-Säure-Batterie (PbA)
2.4.2 Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd)
2.4.3 Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH)
2.4.4 Lithium-Batteriesysteme
2.4.5 Natrium-Schwefel-Batterie (NaS) und Natrium-Nickelchlorid-Batterie
(ZEBRA-Batterie)
2.4.6 Redox-Flow-Batteriesysteme (RFB)

3 Zielsystem

4 Vorgehen

5 Anforderungsaspekte an das Batteriesystem im Elektrofahrzeug
5.1 Einführung
5.2 Batterielebensdaueranforderungen von BEVs
5.3 Reichweitenanforderungen von BEVs - Energiedichte
5.4 Leistungsanforderungen von BEVs - Leistungsdichte und C-Rate .
5.5 Kostenaspekte der Fahrzeugbatterie
5.6 Temperaturanforderungen
5.7 Sicherheitsaspekte der Fahrzeugbatterie
5.8 Umweltaspekte
5.9 Übersicht der Anforderungsaspekte

6 Bewertung der verschiedenen elektrochemischen Energiespeicher
6.1 Wässrige Systeme
6.1.1 Blei-Säure-Batterie (PbA)
6.1.2 Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd)
6.1.3 Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH)
6.2 Organische Systeme - Lithium-Batteriesysteme
6.2.1 Lithium-Cobalt-Oxid-Kathodenmaterial (LCO)
6.2.2 Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Kathodenmaterial (NMC) .
6.2.3 Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Kathodenmaterial (NCA)
6.2.4 Lithium-Mangan-Spinell-Kathodenmaterial (LMO)
6.2.5 Lithium-Eisen-Phosphat-Kathodenmaterial (LFP)
6.2.6 Lithium-Titanat-Anodenmaterial (LTO)
6.2.7 Lithium-Polymer-Batterie (Li-Po)
6.2.8 Lithium-Schwefel-Batterie (Li-S)
6.2.9 Lithium-Luft-Batterie (Li-Luft)
6.3 Hochtemperatursysteme
6.4 Redox-Flow-Systeme

7 Schlussbetrachtung
7.1 Zusammenfassung der Ergebnisse
7.2 Entwicklungsverlauf - Technologie-Roadmap

8 Fazit und Ausblick

Literatur

A Anhang
A.1 Übersicht Energispeichersysteme
A.2 Aufstellung der Netzdiagramme
A.3 USABC Goals for Advanced Batteries for EVs
A.4 Daten und Messwerte TÜV SÜD

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei allen Personen bedanken, die mich bei der Erstellung dieser Arbeit unterstützt haben.

Ein besonderer Dank gilt meiner Betreuerin Frau Dipl.-Ing. Aline Radimersky, die mir die Bearbeitung dieses interessanten Themas ermöglicht hat und mir bei den wöchentlichen Treffen stets mit guten Ideen und Anreizen zur Seite stand.

Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. A. Albers, dass ich meine Bachelorarbeit an seinem Lehrstuhl verfassen durfte und Herrn Prof. Dr. H. Lindstädt für die Übernahme der Zweitbe- treuung durch ein WIWI-Institut.

Darüber hinaus möchte ich mich bei meinen Eltern bedanken, durch deren Unterstützung erst mein Studium ermöglicht wurde.

Abbildungsverzeichnis

1 Bespielhafte C-Raten im Zusammenhang mit Zeit und Strom [Eigene Darstellung]

2 Schematische Darstellung der Zyklenlebensdauer bei Beschränkung von SoC und DoD bis zur Restkapazität von 70 % [RSV15]

3 Hochtemperatursysteme [HAR13][KD15][BS13][Rum14]

4 Redox-Flow-Systeme [SS14][HW15][WUM+15][Rum15][BS13][UAY+16]

5 Schematische Darstellung der Vorgehensweise [Eigene Darstellung]

6 Key-Performance-Parameter aus Sicht der Kunden OEMs für BEVs [Bei16, S.16]

7 Entwicklung und Ausblick der Kosten für Li-Ion-Batterieeinheiten von BEVs [NN15, S.330]

8 Übersicht der Zielwerte [Uni14][WBB+16][Pat15][NN15][Sir09][KVS13]

9 Blei-Säure-Batterie (PbA) [Eigene Darstellung]

10 Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd) [Eigene Darstellung]

11 Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH) [Eigene Darstellung]

12 Lithium-Cobalt-Oxid-Kathodenmaterial (LCO) [Eigene Darstellung]

13 Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Kathodenmaterial (NMC) [Eigene Darstellung]

14 Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Kathodenmaterial (NCA) [Eigene Darstellung]

15 Lithium-Mangan-Spinell-Kathodenmaterial (LMO) [Eigene Darstellung]

16 Lithium-Eisen-Phosphat-Kathodenmaterial (LFP) [Eigene Darstellung]

17 Lithium-Titanat-Anodenmaterial (LTO) [Eigene Darstellung]

18 Lithium-Polymer-Batterie (Li-Po) [Eigene Darstellung]

19 Lithium-Schwefel-Batterie (Li-S) [Eigene Darstellung]

20 Lithium-Luft-Batterie (Li-Luft) [Eigene Darstellung]

21 Natrium-Schwefel-Batterie (NaS) [Eigene Darstellung]

22 Natrium-Nickelchlorid-Batterie (ZEBRA-Batterie) [Eigene Darstellung]

23 Vanadium-Redox-Flow-Batterie [Eigene Darstellung]

24 Zink-Brom-Batterie [Eigene Darstellung]

25 Übersicht Wässrige Batteriesysteme [Eigene Darstellung]

26 Übersicht Lithium-Batteriesysteme [Eigene Darstellung]

27 Übersicht Post-Li-Ionen-Batteriesysteme [Eigene Darstellung]

28 Übersicht Hochtemperatur-Batteriesysteme [Eigene Darstellung]

29 Übersicht Flow-Batteriesysteme [Eigene Darstellung]

30 Technologie-Roadmap [Eigene Darstellung]

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kurzfassung

Die kostengünstige Speicherung einer ausreichend großen Energiemenge stellt bzgl. einer breiten Marktdurchdringung der Elektromobilität eine große Hürde dar. Die vorliegende Arbeit setzt sich dabei zu Beginn mit den Anforderungen und Zielwerten für Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen auseinander, die es zu erreichen gilt. So wurde beispielsweise bei der Analyse der Zielwerte eine Lebensdauer von 1.500 Zyklen und eine spezifische Energiedichte von 350 W h kg − ¹ auf Zellebene ermittelt. Die Arbeit betrachtet ausschließlich elektrochemische Energiespeichertechnologien. Diese werden grundlegend vorgestellt und anhand der vorher be- stimmten Anforderungszielwerte bewertet. Hierbei zeigten ausgewählte Lithium-Ionen-Systeme eine vorherrschende Stellung unter der Gesamtheit der verschiedenen Batterietechnologien.

Die Verwendung von NMC, LFP oder NCA als Kathodenmaterial bietet aktuell die beste Kompromisslösung hinsichtlich der unterschiedlich geforderten Parametergrößen. Ab dem Jahr 2025 bzw. 2030 soll das Lithium-Schwefel- und das Lithium-Luft-System für eine sprunghafte Steigerung der spezifischen Energiedichte und damit auch der erzielbaren Reichweite von Elektrofahrzeugen sorgen.

Abstract

The cost-efficient storage of an adequate amount of energy represents a significant barrier concerning a wide market penetration of electric mobility. This study analyses the requirements and furthermore the target values for traction batteries in electric cars which need to be achieved. According to the analysis of the target values there has been determined e.g. a battery lifetime of 1.500 cycles and a specific energy density of 350 Wh kg − ¹ at the cell level. This study only focuses on electro-chemical energy storage technologies which are comprehensively discussed in a first step and subsequently evaluated on the basis of the previously defined target values. The results show, that among all the different battery technologies, selected Lithium-Ion applications represent a clearly dominant position. With regard to the different required parameters, the use of NMC, LFP or NCA as a cathode material offers the best compromise solution at present. By the year 2025 or 2030 there is expected, that the lithium sulfur and lithium air batteries will cause an erratic increase of the specific energy density as well as an attainable range of the electric vehicles.

1. Einleitung

1.1. Problemstellung

Einhergehend mit der nationalen Energiewende und der weltweit fortschreitenden Umstellung auf Erneuerbare Energien (EE), sieht sich auch die Automobilindustrie in den nächsten Jahrzehnten vor einem beträchtlichen Wandel. Laut der Bundesregierung soll die Zahl der Zulassungen von Elektrofahrzeugen in Deutschland bis zum Jahre 2020 die Marke von einer Million übersteigen. Ein hoch gestecktes Ziel, wenn man bedenkt, dass bis dato nur rund 25.500¹ Elektroautos (Stand: 1. Januar 2016) auf deutschen Straßen unterwegs sind. Zwar gibt es immerhin schon rund 130.300² Hybride-PKW (Stand: 1. Januar 2016), welche neben einem Elektromotor auch einen Verbrennungsmotor besitzen, jedoch ist für die Bewältigung längerer Fahrstrecken der Diesel- oder Benzinkraftstoff noch immer unentbehrlich. Allerdings wird aufgrund des weltweit wachsenden Umweltbewusstseins und der bevorstehenden Verknappung der fossilen Brennstoffe, die Findung einer alternativen Lösung unabdingbar. Dabei gilt die Elektromobiltät als Schlüsselkomponente auf dem Weg zu einer nachhaltigen Fortbewegung im Verkehrswesen.

Gegenwärtig ist die Entwicklung von Elektrofahrzeugen im technischen Bereich insgesamt auf einen aussichtsreichen Stand angekommen. Aktuell gibt es bereits leistungsfähige Motoren und Getriebe, die auch die Serienreife erreicht haben. Dementgegen gibt es jedoch noch erhebliche Defizite in der Leistungsfähigkeit der Batterie, die nach wie vor, mit Blick auf die Elektromobilität, begrenzt ist. Des Weiteren sind die verbauten Hochvoltenergiespeicher noch sehr teuer, wodurch der Anschaffungspreis der Fahrzeuge steigt.

Damit stellt die Traktionsbatterie beim Wandel zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs eines der größten zu lösenden Probleme dar. Es bleibt abzuwarten, welche Batterietechnologie in Zukunft die Anforderungen erfüllen wird, um künftig für die Kunden eine ausreichende Alternative hinsichtlich der konventionell angetriebenen Fahrzeuge darzubieten.

1.2. Zielsetzung und Umfang der Arbeit

Das Ziel der Arbeit ist die Analyse und Bewertung bestehender und zukünftig in Betracht kommender elektrochemischer Speichertechnologien, die im Zusammenhang mit der Elektro- mobilität stehen. Anfänglich eröffnet sich in diesem Zusammenhang die Fragestellung:

- Welche elektrochemischen Energiespeichertechnologien sind bereits verfügbar und welche werden in naher Zukunft erwartet?

Die Vorstellung der verschiedenen Systeme liefert diesbezüglich eine erste Antwort. Des Wei- teren 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 folgenden weiteren Fragen:

- Was sind die ausschlaggebenden Merkmale einer Batterie in Bezug auf die Verwendung im Elektrofahrzeug?
- Was sind die Zielwerte der Merkmale, die es zukünftig zu erreichen gilt?

Die Bestimmung der Zielwerte stützt sich dabei zum einen auf bestehende Annahmen unterschiedlicher Institutionen und zum anderen auf aktuelle Kundenbedürfnisse. Am Ende dieser Arbeit werden anhand dieser Zielwerte die vorgestellten Technologien einzeln bewertet. Im Anschluss daran erfolgt eine Eingliederung der bedeutendsten Systeme in eine Technologie- Roadmap, dabei werden die signifikantesten Merkmale noch einmal herausgestellt. Dies führt zur Beantwortung der Frage:

- Welche Technologien bieten mit ihren Eigenschaften die aussichtsreichsten Chancen, aktuell und zukünftig den Anforderungen im Elektromobilitätsbereich gerecht zu werden?

1.3. Aufbau der Arbeit

Das 1. Kapitel „Einleitung“ stellt die grundsätzliche Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit dar. Die anschließende Beschreibung des Aufbaus gibt einen Überblick über die Struktur und die Vorgehensweise.

Im 2. Kapitel „Grundlagen“ werden zu Beginn allgemeine Begrifflichkeiten und technische Kenngrößen, die für das Verständnis der Abhandlung wichtig sind, definiert. Darüber hinaus erfolgt die Vorstellung der unterschiedlichen Speichertechnologien.

Im Anschluss wird im 3. Kapitel „Zielsystem“ und 4. Kapitel „Vorgehen“ noch einmal gesondert das Ziel der Arbeit herausgestellt und das Vorgehen anhand einer Grafik verdeutlicht.

Im Rahmen des 5. Kapitels „Anforderungsaspekte an das Batteriesystem im Elektro- fahrzeug" werden unter anderem anhand von aktuellen Kundenanforderungen technische Zielwerte bestimmt, die für Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen maßgebend sind.

Anhand dieser Zielwerte erfolgt im 6. Kapitel „Bewertung der verschiedenen elektro- chemischen Energiespeicher" eine Bewertung der vorgestellten elektrochemischen Spei- chersysteme. Dabei werden die bedeutendsten Merkmalsausprägungen bzgl. der definierten Anforderungszielwerte noch einmal gesondert in einer Infografik dargestellt.

Das 7. Kapitel „Schlussbetrachtung“ greift noch einmal die eingangs formulierten Zielfra- gen auf und stellt gruppiert die Systeme einander gegenüber. Im Anschluss daran werden die Entwicklungsschritte bis 2030 in einer Technologie-Roadmap veranschaulicht.

Das abschließende Kapitel bildet das 8. Kapitel „Fazit und Ausblick“, in welchem weiterer Forschungsbedarf und künftige Entwicklungstendenzen aufgezeigt werden.

2. Grundlagen

In diesem Kapitel werden dem Leser Grundlagen zum Verständnis der weiteren Arbeit vermittelt.

Im ersten Teil werden grundlegende Aspekte aufgegriffen, die allen Energiespeichertechno- logien gemein sind. Aufgrund der Komplexität der elektrochemischen Vorgänge, kann hier teilweise nur eine vereinfachte Darstellung erfolgen. Im zweiten Teil werden die verschiedenen elektrochemischen Speichersysteme grundlegend vorgestellt.

2.1. Technologiebeschreibung

2.1.1. Primär- und Sekundärzellen

Als Oberbegriff für die verschiedenen elektrochemischen Energiespeicher wird häufig der Begriff „Batterie“ verwendet. Hierbei kann im Allgemeinen zwischen den Primärzellen und den Sekundärzellen unterschieden werden. Primärzellen sind für keine erneute Aufladung ausgelegt.

Die dabei ablaufende Reduktions-Oxidations-Reaktion (Redoxreaktion) ist irreversibel. Im Gegensatz zu den Primärzellen sind die Sekundärzellen weitgehend reversibel und lassen sich über eine Vielzahl von Zyklen wieder aufladen. Die Sekundärbatterien werden des Öfteren auch als Akkumulatoren (Akku) bezeichnet. Im Folgenden werden die Begriffe Batterie, Sekundärbatterie und Akkumulator synonym verwendet.

2.1.2. Aufbau und Funktionsweise einer elektrochemischen Zelle

Im Allgemeinen besteht eine einzelne Zelle aus zwei Elektroden, einem ionenleitenden Elektro- lyten und einem Separator. Hinsichtlich der beiden Elektroden (Anode und Kathode) können verschiedene Materialkombinationen zum Einsatz kommen. Auch der Elektrolyt kann in seiner Materialverwendung variieren. Er ist für den Ladungstransport der Ionen zwischen den beiden Elektroden zuständig.³ Bei Zellen mit flüssigen Elektrolyten verhindert der isolierende, ionen- durchlässige Separator den direkten, elektrischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden.

Durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien bei der Zellchemie können beispielsweise Parameter wie Nennspannung, Energiedichte und Leistungsdichte verschiedene Ausprägungen aufweisen. Die chemische Energie ist im sogenannten Aktivmaterial der Elektroden gespei- chert. Kommt es zur Entladung, wird das Elektrodenmaterial reduziert und die eingelagerten chemischen Verbindungen werden wiederum in elektrische Energie umgewandelt und an den Verbraucher abgegeben. Der Prozess bei den Primärzellen beschränkt sich lediglich auf den Vorgang des Entladens. Sie können nicht reversibel wieder aufgeladen werden. Hingegen können bei den Sekundärzellen reversible elektrochemische Reaktionen ablaufen. Damit lässt sich die Zelle sowohl entladen als auch aufladen. Gegensätzlich zur Entladung, wird beim Aufladen der Zelle die zugeführte elektrische Energie wiederum in chemisches Potenzial überführt.⁴

2.1.3. Hochenergie- und Hochleistungszellen

Grundlegend können die verschiedenen elektrochemischen Speicherzellen in Hochenergie- und Hochleistungszellen unterschieden werden. Dabei weisen die Hochenergiezellen im Allgemeinen eine hohe spezifische Energiedichte auf, sind jedoch bzgl. der spezifischen Leistungsdichte begrenzt. Die Eigenschaften der Hochleistungszellen sind gegenteilig zu denen der Hochener- giezellen charakterisiert und weisen eine geringe Energiedichte auf, erreichen aber eine hohe spezifische Leistungsdichte. Die unterschiedlichen Leistungseigenschaften ergeben sich im Wesentlichen durch die Beschaffenheit der Elektroden. So besitzen die Hochenergiezellen dicke und dicht beschichtete Elektroden, wobei diese bei den Hochleistungszellen dünner und poröser sind.⁵

2.1.4. Bauformen von Lithium-Ionen-Zellen

Grundsätzlich können lithiumbasierten Batteriesysteme unterschiedliche Bauformen aufweisen. So kann zwischen der zylindrischen, prismatischen und Pouch-Bag-Zelle unterschieden werden.

Alle drei Bauformen weisen entsprechende Vor- und Nachteile auf. Bei der zylindrischen Zelle wird der Elektroden-Separator-Elektroden-Stapel gewickelt, bei der Pouch-Bag-Zelle übereinandergeschichtet und bei der prismatischen Zelle können beide Verfahren angewendet werden. Eine der am weitesten verbreiteten Ausführungsform ist die zylindrische Bauform.

Vorteile dieser Bauform sind die hohe mechanische Stabilität, die einfache Herstellung und die hohen erreichbaren Energiedichten. Nachteile sind das Packaging und die schlechte Wärmeabfuhr. Bei der prismatischen Zellbauform wird der bereits oben erwähnte geschichtete Stapel zu einem Flachwickel aufgewickelt. Anschließend wird dieser Teil in ein festes Gehäuse eingelassen. Aufgrund der flachen Bauform, weist dieser Zelltyp im Vergleich zur zylindrischen Zelle ein besseres Packaging auf und ermöglicht einen besseren Wärmeabtransport. Nachteilig wirkt sich der aufwändigere Herstellungsprozess aus. Die Pouch-Zelle besitzt kein festes Gehäuse und wird lediglich von einer Aluminiumfolie eingeschlossen. Dabei werden die Lagen, bestehend aus Elektroden und Separator, gestapelt. Die wesentlichen Vorteile der Pouch-Bag- Zelle sind die gute Skalierbarkeit, die gute Wärmeableitung (gute Kühleigenschaften), das gute Packaging und das geringe Gewicht. Gegen die Zellform spricht die geringe mechanische Stabilität.⁶

2.1.5. Traktionsbatteriesystem

Das Batteriesystem setzt sich grundlegend aus den einzelnen Batteriezellen, dem Batteriema- nagementsystem BMS und dem Thermosystem zusammen. Mehrere Einzelzellen werden zu einem Modul zusammengefasst und miteinander verschaltet. Die Fahrzeugbatterie setzt sich aus mehreren vormontierten Modulen zusammen, die ebenfalls miteinander verschaltet werden.

Durch das Modularisierungskonzept können Toleranzen zwischen einzelnen Zellen einfacher ausgeglichen werden. Zudem gestaltet sich die Wartung der Batterie bedeutend einfacher. Die Integration des Batteriemanagementsystem (BMS) und Thermosystems erfolgt auf Modul- und Systemebene. Das BMS steuert und überwacht die wesentlichsten Vorgänge bzgl. der Batterie. Das Thermosystem ist dafür zuständig, die Batteriezellen auf einem konstanten, idealen Temperaturniveau zu halten, um eine optimale Leistungsabgabe und Lebensdauer zu garantieren.⁷

2.2. Verfahren zur vergleichenden Bewertung von Fahrzeugen

Die beiden nachstehenden Unterkapitel stellen zwei Testverfahren zur einheitlichen Bewertung vor und beschreiben diese und deren Unterschiede in Kürze. Beginnend mit dem noch gültigen "Neuen Europäischen Fahrzyklus" (NEFZ) wird im Anschluss die neu kommende "Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedure" (WLTP) vorgestellt.

2.2.1. "Neuer Europäischer Fahrzyklus" (NEFZ)

Aktuell wird die Reichweite elektrischer Fahrzeuge in Europa noch durch den NEFZ bestimmt, welcher ursprünglich zur vergleichenden Bewertung für Verbrennungsfahrzeuge ausgearbeitet wurde. Er besteht grundlegend aus zwei Zyklen und simuliert im ersten Abschnitt eine, auf dem Rollprüfstand durchgeführte, innerörtliche Fahrt und anschließend im zweiten Teil eine Fahrt Außerorts. Dabei werden unterschiedliche Phasen des Beschleunigens, Bremsens und der Fahrt bei konstanter Geschwindigkeit nacheinander durchlaufen. Hierbei ist es wichtig zu erwähnen, dass die Temperatur während des Testdurchlaufs konstant zwischen 20 und 30 °C liegt, die maximale Geschwindigkeit 120 km/h beträgt und sämtliche Verbraucher, wie Heizung oder Klimaanlage, über die gesamte Prüfstrecke ausgeschaltet sind.

2.2.2. "Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedure" (WLTP)

Ab 2017 soll der NEFZ durch das neue Testverfahren des WLTP abgelöst werden. Der dafür entwickelte WLTC weist dabei ein wesentlich dynamischeres Fahrprofil gegenüber dem NEFZ auf und repräsentiert somit den Realverbrauch besser. Dennoch berücksichtigt auch der WLTP nicht die Leistungsminderung, welche durch die Klimaanlage, der Heizung oder den äußeren Umgebungstemperaturen hervorgerufen werden kann.

Aufgrund der noch bestehenden Aktualität des NEFZ und der damit verbundenen, geringen Informationsdichte von WLTP-Daten für aktuelle Fahrzeuge, werden bei der vorliegenden Arbeit ausschließlich Angaben auf NEFZ-Basis zur vergleichenden Bewertung herangezogen.

2.3. Kenngrößen elektrochemischer Energiespeicher

Im Folgenden werden dem Leser wichtige Kenngrößen der elektrochemischen Energiespeicher vorgestellt und erläutert. Dazu zählen die Spannungslage, Energie- und Leistungskenndaten, die C-Rate, verschiedenen Zustandsgrößen und die Lebensdauer der Batterie. Diese Kenngrößen sind mit Blick auf die Bewertung der verschiedenen Speichertechnologien mit entscheidend und deshalb von bedeutender Relevanz.

2.3.1. Spannungslage, Energie- und Leistungskenndaten

Spannungslage: Die Spannung einer Zelle ist von den eingesetzten Elektrodenmaterialien und deren Potenzial abhängig. Die Spannungslage ergibt sich aus der Differenz der Elektro- denpotenziale.

Spezifische Energiedichte (gravimetrisch) [ W h kg − [1]]: Die spezifische oder auch gravi- metrische Energiedichte gibt das Energiespeichervermögen einer Zelle oder einer Batterie, bezogen auf das Gewicht, an. Somit definiert die Einheit den gespeicherten Energiegehalt pro Masse und hat somit direkten Einfluss auf die gefahrene Reichweitenleistung von rein elektrischen Fahrzeugen. Die theoretische spezifische Energie einer Zelle errechnet sich über folgende Formel:

2.3 Kenngrößen elektrochemischer Energiespeicher 7

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Vorrausetzungen für eine hohe theoretische Energiedichte sind demnach eine große Kapazität und hohe Zellspannung bei möglichst geringer Masse der Aktivmaterialien. Leider ist der Wert der theoretischen Energiedichte nur bedingt aussagekräftig, da in der Gleichung unter anderem nicht die Masse von Elektrolyt, Separator, inaktiven Materialien sowie Zellgehäuse berücksichtigt werden. Betrachten man die systemspezifische Energiedichte der gesamten Batterieeinheit, so können des Weiteren noch das Gewicht von BMS, thermischer Regulierungseinheit und Batteriegehäuse möglichen Einfluss auf die tatsächliche Energiedichte nehmen. Deshalb ist dieser Wert im Allgemeinen oft aufschlussreicher als die Betrachtung der theoretischen Energiedichte.⁸

Spezifische Leistung (gravimetrisch) [ W kg − [1]]: Die spezifische Leistung gibt die maximale Leistung an, die ein Akkumulator pro Masseneinheit abgeben kann.

Spezifische Energiedichte (volumetrisch) [ W h L − [1]]: Die volumetrische Energiedichte gibt den Energiegehalt eines Akkumulators pro Volumeneinheit an. Hinsichtlich der batteriebe- triebenen E-Fahrzeuge ist dieser Wert von großer Bedeutung, da der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt ist.

Spezifische Leistung (volumetrisch) [ W L − [1]]: Die volumetrische Leistungsdichte gibt die maximale Leistung an, die ein Akkumulator pro Volumeneinheit abgeben kann.

Hinsichtlich der verschiedenen Kenngrößen von Energie und Leistung muss zwischen Zell- und Systemebene differenziert werden. Hierbei ist darauf zu achten, welche Komponenten auf Systemebene der Traktionsbatterie miteingeschlossen werden.

2.3.2. C-Rate

Die C-Rate ist eine Maß für den Lade- bzw. Entladestrom einer Batterie, in Abhängigkeit ihrer Nennkapazität. Somit ergibt sich zur Berechnung der C-Rate folgende Formel:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Grundsätzlich ist die erlaubte C-Rate, unter der eine Batterie geladen werden darf, geringer als die der Entladung.⁹ In der nachstehenden Tabelle wird der Strom und die Zeit in Abhängigkeit verschiedener C-Raten einer 50 Ah Batterie zum besseren Verständnis dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Bespielhafte C-Raten im Zusammenhang mit Zeit und Strom [Eigene Darstellung]

2.3.3. Zustandsgrößen der Batterie

SoC: Der State of Charge (SoC) gibt den prozentualen Ladezustand einer Batterie an. Demnach besagt ein SoC von 100 %, dass die Batterie vollständig geladen ist. Dabei wird der SoC unabhängig von der Alterung der Batterie und den damit verbundenen Kapazitätseinbußen angegeben. Der SoC berechnet sich aus dem Quotienten der aktuell noch vorhandenen Kapazität und der maximal erreichbaren Kapazität der Batterie.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

DoD: Der Depth of Discharge (DoD) gibt die Entladetiefe an und ist ein komplementäres Maß bzgl. des SoC. Er berechnet sich aus der Subtraktion des SoC von der Zahl Eins. Befindet sich die Batterie im vollgeladenen Zustand ist der DoD 0 %. Im Umkehrschluss ist bei 100 % DoD die Batterie vollständig entladen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

SoH: State of Health (SoH) beschreibt den Gesundheitszustand einer Batterie. Ausgehend von der Nennkapazität im Neuzustand wird der prozentuale Anteil berechnet, den die Batterie noch maximal fähig ist zu speichern. In diesem Zusammenhang ist oft auch die Rede vom sogenannten End of Life (EoL) bzw. dem Lebensdauerende einer Batterie. Er besagt, ab welchem SoH die Batterie ihr Lebensdauerende erreicht hat.

In Bezug auf die Elektromobilität spricht man vom Lebensdauerende (EoL), sobald die Batterie den SoH von 80 % unterschreitet.¹⁰

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3.4. Lebensdauer der Batterie

Hinsichtlich der Lebensdauer einer Batterie wird grundsätzlich zwischen der kalendarischen Lebensdauer und der Zyklenlebensdauer (Zyklenfestigkeit) unterschieden. Jedoch müssen beide Größen in Abhängigkeit zueinander betrachtet werden. Jenes Ereignis, welches zuerst eintritt, ist auch mitbestimmend für den anderen Wert. Im Wesentlichen hängen beide Größen von einer Vielzahl unterschiedlicher Einflussfaktoren ab. So kann beispielsweise die Intensität der Belastung und die Betriebstemperatur erhebliche Auswirkungen auf die Lebensdauer der verschiedenartigen Batteriesysteme und deren diverse Materialkombinationen und -kompositionen haben.¹¹

Die kalendarische Lebensdauer gibt die Anzahl der zu erwartende Jahre an, in der die Batterie für den Einsatz im Fahrzeug genutzt werden kann. Sie hängt vorrangig von den Lagerungsbedingungen ab.¹² Wird der Energiespeicher über diese Dauer nicht genutzt, können bei bestimmten Batterietypen Wechselwirkungen zwischen dem eingesetzten Elektrolyt und den Aktivmaterialien sowie Korrosionsvorgänge stattfinden, die die zu erwartende Lebensdauer stark beeinträchtigen. Des Weiteren kann die Alterung durch äußere Temperaturbedingungen, der unterschiedlichen Zusammenstellung der Materialien und der mangelnden Qualität des Herstellungsprozesses ungewollt vorangetrieben werden.¹³ Dabei bezeichnet die Alterung die Reduzierung der Kapazität bzw. der Energiedichte im Laufe der Zeit. Wie bereits erwähnt, ist im Allgemeinen nach DIN 43539 /T eil 4 das Lebensdauerende (EoL) einer Batterie erreicht, sobald die Speicherfähigkeit weniger als 80 % der Nennkapazität beträgt.¹⁴ In diesem Zusammenhang sind an dieser Stelle die Second-Life-Konzepte zu erwähnen, die den Batterien nach ihrer automobilen Anwendung eine Weiterverwendung versprechen.

Eine wesentliche Rolle bei der Alterung einer Zelle oder eines Batteriespeichersystems spielt der Energiedurchsatz bzw. die Anzahl der Zyklen. Ein Zyklus umfasst dabei den Entladevorgang und die nachfolgende Aufladung der Batterie. Wird die Batterie mit hohen Strömen bei der Ladung bzw. der Entladung belastet, können hohe Temperaturen im Inneren der Batterie entstehen und das System irreversibel schädigen. Durch den Anstieg des Innenwiderstands nimmt bei der Alterung der Zelle die Gesamtkapazität des Energiespeichersystems ab. Zudem können auch hier äußere Einflüsse, wie die Umgebungstemperatur ihren Teil zur beschleunigten Alterung des Akkumulators beitragen. Maßgeblich mitbestimmend für das Erreichen einer hohen Zyklenfestigkeit ist das Niveau der Entladetiefe (DoD) und des Ladestands (SoC) der Batterie.¹⁵

Abbildung 2 zeigt beispielhaft die Steigerung der Zyklenlebensdauer von Lithium-Ionen- Batterien bei Beschränkung von SoC und DoD. Hinsichtlich anderer Systeme, wie z.B. der Blei-Säure-Batterie, können die Merkmalsausprägungen verschieden zu denen der hier vorgestellten Lithium-Ionen-Batterien sein. Aus der Abbildung 2 ist ersichtlich, dass das Beschränken des SoC einen größeren positiven Effekt auf die Zyklenlebensdauer hat, als die Verringerung der Entladetiefe (DoD). Ausgehend von einem Betrieb der Zelle zwischen 20 und 90 %, d.h. einem maximalen SoC von 90 % und einem maximalen DoD von 80 %, würde diese bzgl. der Daten aus Abbildung 2 2000 Zyklen realisieren können.¹⁶

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Zyklenlebensdauer bei Beschränkung von SoC und DoD bis zur Restkapazität von 70 % [RSV15]

2.4. Vorstellung der verschiedenen elektrochemischen Energiespeicher

Grundsätzlich können die verschiedenen elektrochemischen Speichersysteme in wässrige Sys- teme, organische Systeme, Hochtemperatursysteme und Flow-Systeme unterteilt werden.

Im folgenden Kapitel werden die bedeutendsten Systeme zur Energiespeicherung in Elek- trofahrzeugen vorgestellt und deren wesentliche, charakteristische Eigenschaften genannt.

Überdies befindet sich im Anhang (Vgl. A.1) dieser Arbeit eine prägnante Übersicht aller hier vorgestellten Systeme mit ihren kennzeichnenden Merkmalen.

Es ist eingangs noch auf die schwierige Bestimmung der genauen Zyklenlebensdauer der verschiedenen Systeme hinzuweisen, da sie wesentlich von einer Vielzahl unterschiedlicher Betriebsbedingungen abhängt. So sind beispielsweise die Temperatur, die Höhe der Belastung bei Lade-/Entladevorgängen, der Belastungsbereich (definiert durch den Ladestand „SoC“ und die Entladetiefe „DoD“) und die Bestimmung des Lebensdauerendes (EoL) einflussreiche Parameter, die sich erheblich auf die Zyklenfestigkeit und damit auf die Zyklenlebensdauer auswirken können.

2.4.1. Blei-Säure-Batterie (PbA)

Prinzipiell gibt es zwei unterschiedliche Ausführungsvarianten des Blei-Säure-Systems. Der verwendete Elektrolyt des geschlossenen Systems ist wässrig. Bei den verschlossenen Systemen wird der Elektrolyt festgelegt. So wird z.B. mithilfe von Kieselsäure (SiO 2) der Elektrolyt des Blei-Gel-Akkus geliert. Die sogenannten AGM-Akkus (Absorbent Glass Mat) oder Blei- Vliesbatterien fixieren den Elektrolyten mit einem Glasfasergewebe.¹⁷ Wesentliche Vorteile der verschlossenen Systeme sind die Reduzierung des Wartungsaufwands, die Möglichkeit des lageunabhängigen Einsatzes und die Steigerung der Sicherheit (u.a. Vermeidung von Knallgasbildung).¹⁸ Darüber hinaus wird bei Systemen mit festgelegtem Elektrolyt die Säu- reschichtung bei Tiefentladung unterdrückt, die sich bei den flüssigen Systemen auf die Leistungsfähigkeit auswirken kann.¹⁹ Die verwendeten Aktivmaterialien der Elektroden sind im geladenen Zustand Blei und Bleioxid (PbO 2). Die beiden zueinander parallelstehenden Elektrodengitterplatten sind in dem Elektrolyten eingetaucht. Der Elektrolyt wird von einem säurebeständigen Gehäuse eingeschlossen. Die Einzelzellen-Nennspannung der Blei-Säure- Systeme beträgt ca. 2 V. Mitentscheidend für die Lebensdauer bzw. Zyklenfestigkeit der Blei-Säure-Batterien ist die Entladetiefe (DoD). Grundsätzlich sollten die Zellen nur bis zu einer Entladetiefe von 80 % DoD betrieben werden, da bei tieferen Entladungen die Batterie überproportional altern würde.²⁰ Im Normalfall sollten diese jedoch nur bis 50 % DoD entladen werden, um die Zyklenfestigkeit zu steigern.²¹ So beträgt beispielsweise die Zyklenlebensdauer einer VRLA-Batterie bei einer Entladetiefe von 40 % DoD 1.250 Zyklen und bei 80 % DoD 700 Zyklen. Durch den Teillastbetrieb zwischen 40 und 70 % DoD kann die Zyklenlebensdauer erheblich gesteigert werden (etwa 5.500 Zyklen).²² Die theoretische Energiedichte von Blei- Säure-Akkumulatoren liegt bei 167 W h kg − ¹. Durch die Batteriesysteme werden in der Praxis jedoch nur etwa 25 bis 40 W h kg − ¹ realisiert.²³ Die spezifische Leistungsdichte schwankt um den Bereich von 40 - 100 W h L − ¹.²⁴ Die Bleibatterie kann kurzzeitig gut mit hohen Strömen belastet werden.²⁵ Aufgrund der niedrigen Materialkosten und der Verwendbarkeit einfacher BMS, sind die Systemkosten der Blei-Säure-Batterie gering.²⁶ Die Kosten für unterschiedliche Blei-Säure-Systeme bewegen sich zwischen 60 - 200 U SD kW h − ¹.²⁷ Die optimale Betrieb- stemperatur liegt bei 20 bis 25 ◦ C. Bei niedrigen Temperaturen werden erhebliche Einbußen bzgl. der Leistung und des Energiegehalts verzeichnet. Bei Betriebstemperaturen oberhalb von 40 ◦ C verringert sich hingegen deutlich die zu erwartende Batterielebensdauer.²⁸ Die Bleibatterie überzeugt durch eine hohe Eigensicherheit und einer gute Recyclebarkeit.²⁹

2.4.2. Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd)

Aufgrund der niedrigen Einzelzellen-Nennspannung des Nickel-Cadmium-Systems von 1,2 V, beschränken sich die Alterungs- und Korrosionsvorgänge in dem alkalischen Elektrolyten. Dadurch kann eine sehr hohe kalendarische und zyklische Lebensdauer erreicht werden.³⁰ Beträgt die Entladetiefe 100 % DoD, können immerhin noch bis zu 3.000 Zyklen durchlaufen werden. Bei 80 % DoD erhöht sich die Zyklenlabensdauer auf etwa 4.000 mögliche Lade- /Entladezyklen.³¹ Die speicherbare gravimetrische Energiedichte der Nickel-Cadmium-Batterie liegt auf Zellebene in etwa zwischen 40 und 60 W h kg − ¹.³², die volumetrische bei etwa 150 Wh L − ¹.³³ Der Akkumulator zeichnet sich durch eine sehr hohe Strombelastbarkeit aus³⁴, die auch zu guten Schnellladeeigenschaften führt.³⁵ Die Herstellungskosten der NiCd-Batterie sind als gering einzustufen.³⁶ Die Nickel-Cadmium-Batterie ist innerhalb eines sehr breiten Temperaturbereichs einsatzfähig (-40 bis +60 ◦ C)³⁷ und zeichnet sich besonders durch ein gutes Tieftemperaturverhalten sowie Robustheit gegen Tiefentladung und Überladung aus.³⁸ Durch die Verwendung des giftigen Schwermetalls Cadmium ist der Einsatz dieser Speichertechnologie bezüglich sicherheits- und umweltrelevanter Aspekte bedenklich.³⁹

2.4.3. Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH)

Im Wesentlichen unterscheidet sich die Nickel-Metallhydrid-Batterie von der Nickel-Cadmium- Batterie lediglich in ihrer Materialauswahl auf Seiten der negativen Elektrode. Anstatt des giftigen Schwermetalls Cadmium erfolgt die Umsetzung von Wasserstoff, der in der Metalllegie- rung der Elektrode gespeichert wird. Auch das Nickel-Metallhydrid-System weist eine ähnliche Langlebigkeit wie das Nickel-Cadmium-System auf und zeichnet sich gerade durch eine hohe Zyklenlebensdauer aus.⁴⁰ So können bei einer stetigen Entladetiefe von 80 % DoD immer noch einige tausend Zyklen durchlaufen werden. Die spezifische Energiedichte der Batteriezelle liegt bei ca. 80 Wh kg − ¹, die volumetrische Energiedichte in etwa zwischen 150 bis 300 Wh L − ¹.⁴¹ Auch die NiMH-Batterie ist systembedingt gegen Tiefentladung und Überladung geschützt. Dadurch können die Zellen vereinfacht zusammengeschaltet werden, wodurch auch das BMS simplifiziert werden kann.⁴² Gegenüber den Nickel-Cadmium-Batterien sind die Nickel-Metallhydrid-Systeme um das 1,5- bis 2-fache teurer, bei vergleichbarer Kapazität.

⁴³ Dies liegt insbesondere an den hohen Materialkosten des Systems.⁴⁴ Bedingt durch die Begrenzung der Wasserstoff-Desorptionsrate weist die Nickel-Metallhydrid-Batterie gegenüber dem NiCd-System ein schlechteres Tieftemperaturverhalten auf.⁴⁵ Bezüglich typischer Temperaturanforderungen hat dieser Umstand jedoch keinen Einfluss im Fahrzeugbereich.⁴⁶ Der Sicherheits- und der Umweltaspekt kann im Falle der NiMH-Batterie positiv bewertet werden, da hier keine bedenklichen Stoffe zum Einsatz kommen.⁴⁷

2.4.4. Lithium-Batteriesysteme

Unter dem Begriff „Lithium-Batterie“ wird eine Vielzahl von Materialkombinationen zusam- mengefasst, die alle auf dem gleichen Funktionsprinzip beruhen.⁴⁸ Grundsätzlich können die lithiumbasierten Batteriesysteme in Systeme ohne metallische Lithium-Elektrode und Systeme mit metallischer Lithium-Elektrode unterteilt werden. Die nichtmetallischen Systeme lassen sich weiter in Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien klassifizieren. Dabei unterscheiden sich die zwei letztgenannten nichtmetallischen Zelltechnologien lediglich durch den Elektrolyten, sind chemisch betrachtet aber gleichartig. Bei den LiIon-Zellen ist der Elektrolyt flüssig, zusätzlich trennt ein Separator elektrisch die beiden Elektroden voneinander. Die Lithium-Polymer-Zellen verwenden einen Elektrolyten auf Polymerbasis (feste bis gelartige Folie), der zudem die Funktion des Separators zwischen den beiden Elektroden übernimmt.⁴⁹ Während bei den Lithium-Ionen-Batterien das Lithium ausschließlich in ionischer Form oder als oxidischer Bestandteil vorkommt, besitzen die Lithium-Metall-Systeme eine metallische Lithium-Elektrode. Aufgrund des nicht benötigten Trägermaterials bei den Lithium-Metall- Systemen, werden in der Theorie höhere Energiedichten erreicht, als bei den LiIon-Systemen.

Hinsichtlich des Einsatzes im Automobilbereich wird diese Technologie jedoch nur noch bedingt weiter erforscht, da das System erhebliche Sicherheitsprobleme aufweist.⁵⁰

Während des Lade- und Entladevorgangs werden bei den lithiumbasierten Systemen Lithium- Ionen an einer der Elektroden ausgelagert und über den Elektrolyten zur gegenüberliegenden

Elektrodenseite transportiert. Dort wiederum werden die Ionen in das Kristallgitter der Elektrode eingelagert. Die Kristallstrukturen bleiben dabei erhalten, was grundsätzlich zu einer erhöhten Zyklenlebensdauer der Lithium-Systeme führt.⁵¹

Die Alterung der lithiumbasierten Zellen beruht im Wesentlichen auf der Ausbildung der sogenannten Solid Electrolyte Interphase (SEI). Nach Inbetriebnahme der Zelle schützt eine beständige Grenzschicht das Aktivmaterial der negativen Elektrode vor Kontakt mit dem Elektrolyt. Aufgrund von chemischen Prozessen bilden sich im Laufe der Zeit weitere

Deckschichten der vorhandenen SEI aus. Infolgedessen sinkt die Kapazität der Batterie und der Innenwiderstand der Zelle erhöht sich.⁵² Auf weitere Alterungsmechanismen wird im Rahmen dieser Arbeit nicht weiter eingegangen.

Im Folgenden werden die bedeutendsten Materialkombinationen der verschiedenen lithiumba- sierten Zellsysteme aufgeführt und charakterisiert.

Lithium-Cobalt-Oxid Kathodenmaterial (LCO)

Einleitend ist zu bemerken, dass als erste wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie die Firma Sony (1991) das LiCoO 2 − System am Markt etablierte. Das hauptsächlich im Consumer- Bereich eingesetzte Batteriesystem erreicht in etwa eine Zyklenlebensdauer von 500 bis 1.000 Zyklen. Die mittlere Spannungslage der Zelle beträgt 3,7 V und es wird eine gravimetrische Energiedichte (volumetrische) zwischen 110 und 190 Wh kg − ¹ (320 Wh L − ¹ und 500 Wh L − ¹ ) erreicht. Die spezifische Belastung der Zellen wird mit 1 bis 2C angegeben.⁵³ Die Kosten der LiCoO 2-Variante liegen in etwa zwischen 310 und 460 USD kWh − ¹. Der erlaubte Temperaturbereich, in dem die Zelle betrieben werden darf, liegt zwischen -20 und +60 ◦ C.⁵⁴ Aufgrund des anteiligen Kobalts weist die LCO-Technologie in Belangen der Sicherheit und Umweltfreundlichkeit Defizite auf.⁵⁵ Kobalt ist bei Kontakt für den Menschen gesundheitsschädlich und für die Umwelt schwer belastend.⁵⁶

Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Kathodenmaterial (NMC)

Das Verhältnis LiN i 0 . 33 Co 0 . 33 M n 0 . 33 O 2 ist das am häufigsten vorkommende NMC-System, welches bereits weit verbreitet Verwendung am Batteriemarkt findet. Die Systemverhältnisse der Komponenten können variiert werden, um auf bestimmte Anforderungen geringfügig angepasst zu werden. So besitzt beispielsweise das System LiN i 0 . 8 Co 0 . 1 M n 0 . 1 O 2 eine höhere Energie- und Leistungsdichte, LiN i 0 . 46 Co 0 . 23 M n 0 . 31 O 2 dafür eine bessere Zyklenlebensdauer und erhöhte Sicherheit.⁵⁷ Im Mittel variiert die Lebensdauer der Batterien um Werte zwischen 1.000 - 2.000 Auf- und Entladevorgänge (Zyklen). Auf Zellebene liegt die spezifische Energie- dichte in einem Bereich von 140 bis 190 W h kg − ¹.⁵⁸ Die volumetrische Energiedichte wird mit 330 bis 580 W h L − ¹ angegeben. Optimierte Zellen für den Gebrauch in Elektrofahrzeugen können dauerhaft 1C und kurzzeitig bis zu 10C liefern.⁵⁹ Nachteile dieser Technologie sind die erhöhten Kosten von Nickel und Cobalt und die potenzielle Ressourcenbeschränkung.⁶⁰ Abhängig vom aktuellen Ladezustand (SoC) weist das System starke Spannungsunterschiede auf. So ergeben sich im erlaubten Bereich Spannungen zwischen 2,5 bis 4,2 V. Die Kosten dieser Technologie werden auf 500 - 900 USD kWh − ¹ geschätzt.⁶¹ Im Folgenden werden beispielhaft konkrete Untersuchungswerte zweier NMC-Batteriezellen aufgezeigt.

Im spezifischen Fall beträgt die Lebensdauer der getesteten Hochenergiezellen der Firma Sanyo (Model: UR18650E) 440 Vollzyklen (100 % DoD), bis zu ihrem Lebensdauerende (EoL).

Dieses war erreicht, sobald die Zelle weniger als 80 % der Nennkapazität aufwies. Wurde der gleiche Batterietyp ausschließlich zwischen 10 - 90 % (25 - 75 %) SoC betrieben, so stieg die durchschnittlich erreichbare Zyklenzahl auf etwa 550 (1.100) Stück. Die Temperatur während der Untersuchungen betrug 35 ◦ C und die Batterien wurden mit 1C belastet.⁶² Allgemein weist die NMC-Batterie, auch bei höheren Temperaturen (∼ 50 ◦ C), eine gute Zyklenstabilität auf.⁶³ Die Energiedichte der vorgestellten Lithium-Ionen-Zellen der Firma Sanyo beträgt 165 Wh kg − ¹ bzw. 443 Wh L − ¹. Das Aufladung der Batterie sollte laut den Angaben des Herstellers in einem Temperaturbereich zwischen 0 und +40 ◦ C erfolgen, die Entladung zwischen -20 und +60 ◦ C.⁶⁴ Ein weiteres Beispiel bietet die Flachzelle der Firma Li-Tec. Bei dieser Zelle beträgt die gravimetrische Energiedichte 152 Wh kg − ¹ und die volumetrische Energiedichte 316 W h L − ¹.⁶⁵

Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Kathodenmaterial (NCA)

Die NCA-Zelltechnologie wird bereits kommerziell von der Firma Panasonic vertrieben und aktuell im Tesla Model S eingesetzt.⁶⁶ Die Zellen besitzen eine hohe Energie- und Leistungs- dichte, und überzeugen durch ihre Lebensdauer.⁶⁷ Die spezifische Energiedichte liegt zwischen 180 - 250 Wh kg − ¹.⁶⁸ Aufgrund der unzureichenden Informationen, dient nachstehend als Referenzmodell die Batteriezelle „Panasonic NCR18650B“. Basierend auf den Herstelleran- gaben erreicht die Rundzelle eine gravimetrische Energiedichte von 243 Wh kg − ¹ und eine volumetrische Energiedichte von 676 W h L − ¹. Der Temperaturbereich wird von 0 bis +45 ◦ C (während des Ladens) bzw. von -20 bis +60 ◦ C (während des Entladens) angegeben. Auch dieses System weist wie die NMC-Technologie Nachteile hinsichtlich der Kosten und der Ver- fügbarkeit der eingesetzten Ressourcen auf.⁶⁹ Aufgrund erhöhter Brandgefahr im Unglücksfall ist die Sicherheit der NCA-Zellen in diesem Zusammenhang kritisch zu betrachten.⁷⁰

Lithium-Mangan-Spinell-Kathodenmaterial (LMO)

Aufgrund der hohen Manganlöslichkeit ist die Lebensdauer des Systems eingeschränkt und deshalb nicht universell einsetzbar. So beträgt die zyklische Lebenserwartung einer LiM n 2 O 4- Zelle etwa 1.000 Lade-/Entladevorgänge.⁷¹ Die Betriebsspannung der LMO-Zelle beträgt 3,8 V. Zellspezifisch liegt die gravimetrische Energiedichte zwischen 90 - 135 Wh kg − ¹ und die volumetrische Energiedichte bei rund 280 W h L − ¹.⁷² Das Zellsystem kann hohe Lade- und Entladeströme bereitstellen und erweist sich gegenüber den anderen Lithium-Ionen-Systemen als kostengünstige Technologie.⁷³ Die Kosten dieses Batterietyps liegen zwischen 450 - 550 USD kWh − ¹. Dauerhaft können die Zellen mit einem spezifischen Strom von ca. 3C - 5C belastet werden. Die Angabe des Temperaturbereichs, in dem die Zellen betrieben werden dürfen, erstreckt sich von -20 bis +50 ◦ C.⁷⁴ Darüber hinaus zeigt die LMO-Speicherbatterie in Belangen der Sicherheit gute Eigenschaften auf.⁷⁵ Weitere Vorteile sind die Verfügbarkeit und Umweltfreundlichkeit des zum Einsatz kommenden Mangans.⁷⁶

2.4 Vorstellung der verschiedenen elektrochemischen Energiespeicher 17

Lithium-Eisen-Phosphat-Kathodenmaterial (LFP)

Das LFP-System weist aufgrund der guten Stabilität der Kristallstruktur des Phosphors eine geringe Degradation während der Lade- und Entladevorgänge auf.⁷⁷ Ausgehend von einer nominalen Lade-/Entladebelastung (C/2) konnten bei zwei verschiedenen Hochleistungszellen über 1.000 bzw. über 5.000 Zyklen nachgewiesen werden. Dabei war das Lebensdauerende (EoL) erreicht, sobald die Zellen nur noch 80 % der Nennkapazität zur Verfügung stellen konnten. Die getesteten Hochenergiezellen wiesen unter gleichen Bedingungen allesamt über 1.000 Zyklen auf. Unter einer typischen Stressbelastung, wie sie bei EV-Batterien durchaus vorkommen kann, realisierte die Hochleistungszelle (zuvor über 5.000 Zyklen @(C/2)) lediglich noch etwas mehr als 1.200 Lade-/Entladezyklen bis zum Erreichen des Lebensdauerendes (EoL).⁷⁸ Durch eine Vielzahl an Quellen kann von einer mittleren Zyklenlebensdauer von etwa 2.000 Zyklen ausgegangen werden.⁷⁹ Leider geben die Autoren keine oder nur unzurei- chende Informationen bezüglich der Testbedingungen und den getroffenen Annahmen an. Die Nennspannung der Zelle ist etwas geringer als bei vielen anderen Lithium-Ionen-Systemen und beträgt 3,3 V.⁸⁰ Überdies besitzen die LiF eP O 4-Zellen eine geringe gravimetrische Energie- sowie Leistungsdichte.⁸¹ Bezüglich der gravimetrischen Energiedichte werden Werte zwischen 90 - 125 W h kg − ¹ auf Zellbasis angegeben. Die Angaben der volumetrischen Energiedichte liegen zwischen 130 - 300 Wh L − ¹ und die konstante Strombelastbarkeit darf bis zu 5C betragen (kurzzeitig: 10C). Mit 300 - 600 USD kWh − ¹ zählt dieser Zelltyp mit zu den kostengünstigeren Lithium-Ionen-Batterien.⁸² Auch wenn die Zelltechnologie aufgrund des Wegfalls von Kobalt zu den günstigeren Varianten zählt, so liegt der Systempreis immer noch bei über 1000 USD kWh − ¹.⁸³ Kommerziell erhältliche Hochenergiezellen erzielten Leistungsdichten zwischen 265 - 373 Wh kg − ¹ bei einer Belastung von C/2. Bei den Un- tersuchungen erzielte unter den Hochenergiezellen der Pouch-Bag-Batterietyp hinsichtlich der Energie- und Leistungsdichte jeweils den höchsten Wert. Unter gleichen Bedingungen erreichten die Hochleistungszellen zylindrischer Bauform, Leistungsdichten von über 400 W h kg − ¹.⁸⁴ Laut den Angaben aus den Datenblättern des Herstellers dürfen Hochenergiezellen mit max. 3C entladen (Hochleistungszellen 10C - 30C) und mit 2C - 3C (4C - 5C) geladen werden.⁸⁵ Der erlaubte Betriebstemperaturbereich der Zellen erstreckt sich von -20 bis + 60 ◦ C.⁸⁶ Die LFP-Systeme werden allgemein als sicher eingestuft.⁸⁷ Zudem wird der Batterie eine gute Umweltverträglichkeit bescheinigt, da die eingesetzten Materialien unbedenklich sind.⁸⁸

Lithium-Titanat-Anodenmaterial (LTO)

Bei diesem Zelltyp kommt auf Anodenseite anstelle des Kohlenstoffs Lithiumtitanat zum Einsatz. Dadurch erreicht die Zelle eine Nennspannung von etwa 2,4 V, wodurch auch die Energiedichte dieses Systems erheblich abnimmt. Allerdings weisen die LTO-Zellen eine außerordentlich gute Zyklenlebensdauer auf.⁸⁹ Dies liegt darin begründet, dass die SEI- Schicht bei Zellen mit Lithium-Titanat als Aktivmaterial keinen Einfluss auf die Batterie nimmt.⁹⁰ Trotz einer starken Belastung durch dauerhafte Tiefentladungen (100 % DoD) können Titanat-Systeme durchaus mehr als 10.000 Vollzyklen realisieren. Jedoch bewegt sich die gravimetrische (volumetrische) Energiedichte dieser Zelltechnologie nur zwischen 60 - 100 W h kg − ¹ (118 - 200 W h L − ¹ ). Zudem liegen die Kosten dieses Batterietyps bei 1.000 - 1.700 USD kWh − ¹ und sind damit vergleichsweise sehr hoch. Typische Angaben für die Belastungsrate dieser Zelltechnologie liegen bei 10C (konst.) bzw. 20C (kurzz.).⁹¹ Im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien weist die LTO-Technologie eine gute Leistungsdichte auf.⁹² Auch die thermische Stabilität der Systeme ist hoch einzustufen. Zudem erweist sich die geringere Spannungslage der Zellen wiederum als Vorteil hinsichtlich der Sicherheit.⁹³ LTO-basierte Systeme können in einem sehr weiten Temperaturfenster betrieben werden (-50 bis +75 ◦ C) und weisen ein gutes Tieftemperaturverhalten auf.⁹⁴

Lithium-Polymer-Batteriesysteme (LiPoly)

Die erwartete Zyklenlebensdauer der Lithium-Polymer-Batterien liegt im Mittel bei etwa 1.000 Zyklen.⁹⁵ Im Allgemeinen weisen die Lithium-Polymer-Zellen gegenüber den LiIon-Zellen eine etwas höhere Energie- und Leistungsdichte auf. Andererseits ist als Nachteil die thermische

und elektrische Sensibilität zu benennen. Außerhalb der Temperaturgrenzen von 0 bzw. 60 ◦ C weist die Zelle zunehmend eine erhöhte thermische Empfindlichkeit auf. Auch ist die Verträglichkeit gegenüber Über-/Tiefenentladungen und der Belastungen durch hohe Ströme limitiert.⁹⁶ Aktuell erreichen die Lithium-Polymer-Batterien auf Zellebene eine spezifische Energiedichte von 250 W h kg − ¹ bzw. 400 W h L − ¹.⁹⁷

[...]

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¹ Vgl. Kra16

² Vgl. Kra16

³ Vgl. BS13, S.28

⁴ Vgl. JW06, S.6f.

⁵ Vgl. KVS13, S.52ff.

⁶ Vgl. Hof14, S.222-226 und Vgl. DEK15, S.61f. und Vgl. RSV15, S.18ff.

⁷ Vgl. SHH+11, S.16

⁸ Vgl. BW16b, S.27f.

⁹ Vgl. RSV15, S.11

¹⁰ Vgl. RZ13, S.882

¹¹ Vgl. WUM+15, S.175f. und Vgl. SS14, S.229

¹² Vgl. WUM+15, S.176

¹³ Vgl. Kor13, S.19

¹⁴ Vgl. SS14, S.229

¹⁵ Vgl. RSV15, S.13ff.

¹⁶ Vgl. RSV15, S.13ff.

¹⁷ Vgl. DEK15, S.57f.

¹⁸ Vgl. SS14, S.226

¹⁹ Vgl. Nau07, S.37

²⁰ Vgl. Fah15, S.362

²¹ Vgl. WUM+15, S.174f.

²² Vgl. KD15, S.264

²³ Vgl. Rum15, S.154 und Vgl. BS13, S.109 und Vgl. SS14, S.217

²⁴ Vgl. KD15, S.262

²⁵ Vgl. Kor13, S.5

²⁶ Vgl. WUM+15, S.159

²⁷ Vgl. Sol15, S.11534 und Vgl. MW15, S.74 und Vgl. TT13, S.90

²⁸ Vgl. BS13, S.93

²⁹ Vgl. DEK15, S.57f.

³⁰ Vgl. SS14, S.231

³¹ Vgl. BS13, S.144

³² Vgl. HC11, S.17

³³ Vgl. BS13, S.142

³⁴ Vgl. Kor13, S.5

³⁵ Vgl. WF11, S.108

³⁶ Vgl. ebd.

³⁷ Vgl. SS14, S.242 und Vgl. KD15, S.267

³⁸ Vgl. Hof14, S.229

³⁹ Vgl. PKJ+12, S.22

⁴⁰ Vgl. SS14, S.245ff.

⁴¹ Vgl. HC11, S.18 und Vgl. BS13, S.159

⁴² Vgl. ebd.

⁴³ Vgl. BS13, S.160

⁴⁴ Vgl. KVS13, S.298

⁴⁵ Vgl. BS13, S.161

⁴⁶ Vgl. Hof14, S.229

⁴⁷ Vgl. DEK15, S.58

⁴⁸ Vgl. Sir09, S.2

⁴⁹ Vgl. SS14, S.254 und Vgl. HC11, S.19

⁵⁰ Vgl. KVS13, S.298

⁵¹ Vgl. ES13, S.66

⁵² Vgl. Kor13, S.17

⁵³ Vgl. SSS+14, S.715 und Vgl. RSV15, S.25 und Vgl. Mil15, S.8 und Vgl. SYT16, S.1034

⁵⁴ Vgl. Mil15, S.8

⁵⁵ Vgl. ES13, S.67

⁵⁶ Vgl. KD15, S.184

⁵⁷ Vgl. NWTLY15, S.256

⁵⁸ Vgl. SYT16, S.1034 und Vgl. Mil15, S.8

⁵⁹ Vgl. Mil15, S.8 und Vgl. RSV15, S.25

⁶⁰ Vgl. Bro12, S.12

⁶¹ Vgl. Mil15, S.8

⁶² Vgl. ENK+14, S.845f.

⁶³ Vgl. SB06, S.2332

⁶⁴ Vgl. ENK+14, S.840

⁶⁵ Vgl. KD15, S.233

⁶⁶ Vgl. Pat15, S.162 und Vgl. NWTLY15, S.256

⁶⁷ Vgl. HMN15, S.4974 und Vgl. SSS+14, S.715

⁶⁸ Vgl. RSV15, S.25

⁶⁹ Vgl. Bro12, S.12

⁷⁰ Vgl. RSV15, S.26

⁷¹ Vgl. SYT16, S.1034 und Vgl. Mil15, S.8 und Vgl. SSS+14, S.716

⁷² Vgl. SYT16, S.1034 und Vgl. Mil15, S.8 und Vgl. SSS+14, S.716

⁷³ Vgl. Bro12, S.12 und Vgl. BW16a, S.6

⁷⁴ Vgl. Mil15, S.8

⁷⁵ Vgl. SGT15, S.178 und Vgl. SYT16, S.1034

⁷⁶ Vgl. NWTLY15, S.257

⁷⁷ Vgl. WUM+15, S.162

⁷⁸ Vgl. AGG+15, S.1860f.

⁷⁹ Vgl. Mil15, S.8 und Vgl. SSS+14, S.716 und Vgl. SYT16, S.1034 und Vgl. TT13, S.90

⁸⁰ Vgl. SS14, S.252

⁸¹ Vgl. KVS13, S.300 und Vgl. DEK15, S.62 und Vgl. WUM+15, S.162

⁸² Vgl. Mil15, S.8

⁸³ Vgl. AGG+15, S.1862

⁸⁴ Vgl. AGG+15, S.1861

⁸⁵ Vgl. AGG+15, S.1856

⁸⁶ Vgl. Mil15, S.8

⁸⁷ Vgl. KVS13, S.300 und Vgl. DEK15, S.62 und Vgl. AGG+15, S.1855

⁸⁸ Vgl. WUM+15, S.162 und Vgl. RSV15, S.26

⁸⁹ Vgl. DEK15, S.62 und Vgl. Bro12, S.20

⁹⁰ Vgl. Fah15, S.365

⁹¹ Vgl. Mil15, S.8 und Vgl. SSS+14, S.715f.

⁹² Vgl. TSW15, S.33 und Vgl. ES13, S.67

⁹³ Vgl. HMN15, S.4974 und Vgl. Kor13, S.289 und Vgl. SSS+14, S.715

⁹⁴ Vgl. Mil15, S.8 und Vgl. SSS+14, S.715

⁹⁵ Vgl. MMM+14, S.49 und Vgl. TT13, S.90

⁹⁶ Vgl. HC11, S.18f. und Vgl. TSW15, S.20

⁹⁷ Vgl. KD15, S.166