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 Wh kg−1 auf Zellebene ermittelt.
Die Arbeit betrachtet ausschließlich elektrochemische Energiespeichertechnologien. Diese werden grundlegend vorgestellt und anhand der vorher bestimmten 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.
Inhaltsverzeichnis
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
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
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit analysiert und bewertet bestehende sowie zukünftig relevante elektrochemische Speichertechnologien für Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen. Ziel ist die Bestimmung technischer Zielgrößen zur Bewertung dieser Speicher anhand aktueller Kundenanforderungen und Marktbedingungen.
- Technologische Analyse bestehender Batteriekonzepte
- Definition von Anforderungen und Zielwerten für Elektrofahrzeugbatterien
- Bewertung der Leistungsfähigkeit nach technischen Kriterien
- Erstellung einer Technologie-Roadmap für Batterien bis 2030
Auszug aus dem Buch
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 Hochenergiezellen 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.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Arbeit beschreibt die Problemstellung der Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge sowie die Zielsetzung und den Aufbau der Untersuchung.
2. Grundlagen: Es werden allgemeine Begriffe, technische Kenngrößen und die Funktionsweise verschiedener elektrochemischer Speichersysteme definiert und vorgestellt.
3. Zielsystem: In diesem Kapitel wird das Ziel der Bestimmung technischer Zielgrößen für Traktionsbatterien weiter herausgestellt.
4. Vorgehen: Das methodische Vorgehen bei der Recherche, Identifikation von Kenngrößen und der Bewertung der Technologien wird dargelegt.
5. Anforderungsaspekte an das Batteriesystem im Elektrofahrzeug: Es erfolgt die Bestimmung technischer Zielwerte wie Lebensdauer, Energiedichte und Kosten für Traktionsbatterien basierend auf Kundenanforderungen.
6. Bewertung der verschiedenen elektrochemischen Energiespeicher: Die vorgestellten Speichertechnologien werden anhand der definierten Zielwerte qualitativ bewertet.
7. Schlussbetrachtung: Die Ergebnisse werden gruppiert gegenübergestellt und eine Technologie-Roadmap für die Entwicklung bis 2030 erstellt.
8. Fazit und Ausblick: Das Fazit fasst die Erkenntnisse zusammen und zeigt weiteren Forschungsbedarf auf.
Schlüsselwörter
Elektromobilität, Batterietechnologie, Traktionsbatterie, elektrochemische Energiespeicher, Lithium-Ionen-Batterie, Energiedichte, Leistungsdichte, Zyklenlebensdauer, SoC, DoD, Batteriemanagementsystem, Kostenentwicklung, Technologie-Roadmap, NEFZ, Elektrofahrzeug
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit analysiert aktuelle und zukünftige elektrochemische Energiespeichertechnologien mit dem Fokus auf deren Eignung für Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen.
Welche zentralen Themenfelder deckt die Arbeit ab?
Die zentralen Felder umfassen die Definition technischer Anforderungen an Batterien, die technologische Vorstellung verschiedener Zellchemien und deren Bewertung anhand von Leistungs- und Kostenparametern.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Bestimmung technischer Zielgrößen für Traktionsbatterien, um auf dieser Basis eine Bewertung und eine Technologie-Roadmap zu erstellen, die aufzeigt, welche Systeme künftig den Anforderungen entsprechen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt eine weitreichende Literaturrecherche, die Übertragung von Kundenanforderungen auf technische Kennwerte sowie eine vergleichende Bewertung der Technologien anhand definierter Parameter.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden zunächst die Grundlagen der Batterietechnik definiert, daraufhin Anforderungen für Elektrofahrzeuge bestimmt und schließlich diverse Zellchemien (von wässrigen Systemen bis zu Post-Li-Ionen-Konzepten) detailliert bewertet.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlagworte sind Elektromobilität, Traktionsbatterie, Batterietechnologie, Zyklenlebensdauer, Energiedichte und Kostenbewertung.
Warum ist das "Worst Case"-Szenario für die Zyklenbestimmung relevant?
Es dient dazu, eine konservative und realistische Mindestanforderung für die Lebensdauer der Batterie zu definieren, damit diese unter den angenommenen täglichen Fahrleistungen und Ladezyklen ausreichend lange hält.
Welche Rolle spielt die "Technologie-Roadmap" in der Schlussbetrachtung?
Sie veranschaulicht zeitlich und inhaltlich, welche Batteriegenerationen aktuell im Einsatz sind und welche technologischen Durchbrüche bei Post-Lithium-Systemen für die Zukunft bis 2030 erwartet werden.
- Citation du texte
- Philipp Schollmeyer (Auteur), 2016, Bestehende Batterietechnologien und Entwicklungspotenziale künftiger Generationen von elektrochemischen Energiespeichern in Bezug auf die Elektromobilität, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/340979
