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Hoime > PKW > Lithium-Ionen-Akkus für PKW Lithium-Ionen-Akkus für Elektro-PKWs von Dr. Ludwig Lindner vom 15.03.2009 Zusammenfassung: Die Lithium-Ionen-Akkus für PKWs haben durch die von Evonik entwickelte flexible Keramik-Membran einen entscheidenden Schub erhalten. Weltweit werden Forschungsprogramme zur Verbesserung der Lithium-Ionen-Akkus gestartet und viele Firmen bauen neue Elektro-PKWs. Dabei ist besonders das Projekt „e-mobility Berlin“ zu nennen. Hier wollen Daimler und RWE ab 2009 gemeinsam ein Netz von 500 Ladestationen für eine Flotte von 100 Elektro-Smarts mit Lithium-Ionen-Akkus aufbauen. Wenn Elektro-PKWs in großem Stil eingesetzt werden, dann erfordert dies nicht nur den vollständigen Abschied vom sog. Atomausstieg, sondern auch dass zusätzlich viele neue Kernkraftwerke gebaut werden müssen. Denn die regenerativen Energien können den Zusatzbedarf an Strom in keiner Weise beistellen. 1. Bisherige Akkus Die bisher in Elektro-PKW’s eingesetzten Batterien sind 1, 1a)
Akkutyp Speicherkapazität Bleiakku 30 NI-Cadmium 40-60 NI-Me_Hydrid 60-80 Na-Schwefel 120 Zebra (NaNiCl 150 Li-Ionen 150-200 Der energetische Vorteil des Elektromotors im PKW liegt darin, dass er 95 % der eingesetzten Energie in Antriebsenergie umsetzt, beim Verbrennungsmotor verpuffen etwa 2/3 der eingesetzten Energie. Peugeot-Citroen hat schon längere Erfahrungen mit Elektroautos. Über 10.000 Elektroautos wurden seit 1995 verkauft mit Ni-Cd-Akkus (300 kg schwer). Mit 60 Wh/kg speicherte er doppelt so viel elektrische Energie wie ein Bleiakku. Der Strom reichte höchstens für 100 km. 2005 kam das Aus, die EU hatte die Batterie wegen des giftigen Cadmiums verboten. Ab 1997 wurden mit EU-Unterstützung Elektrohybridfahrzeuge im Flottenversuch in Erlangen einem 3-jährigen Test unterzogen. Die im Prinzip positiven Ergebnisse führten jedoch nicht zu einem Durchbruch bei der Anwendung. Im analogen Rügen-Experiment waren PKW und Busse mit NA-Schwefel-Batterien im Einsatz, das sehr gut funktioniert hat, aber zu teuer war. 1a) 1997 brachte Toyota mit dem Prius das 1.Serienmäßige Hybridauto auf den Markt, das die Vorteile von Verbrennungs- und Elektromotor vereint. Beim Anfahren oder geringer Geschwindigkeit übernimmt ein Nickel-Metall-Hydrid-Akku den Antrieb, der auf eine Energiedichte von 90 Wh/kg kommt. Dank Energie-Rückgewinnung beim Bergabfahren und Bremsen senkt der Zusatzantrieb den Benzinverbrauch. Bei reinem Strombetrieb erlaubt der knapp 40 Kilo schwere Ni-Me-Hyrid-Akku jedoch nur eine geringe Reichweite. Der Natrium-Nickelchlorid-Akku (auch “Zebra“ – Zero Emission Battery Research Activity) In einem großen Modellversuch in London testet Daimler derzeit die Praxistauglichkeit von ”Zebra“-Akkus in elektrisch angetrieben Autos. 100 neue Elektro-Smarts fahren so ausgerüstet im Dienst von Polizei und Firmenkunden. Der 30 kW(41 PS) starke Kleinwagen erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 112 km/h, die Beschleunigung von 0 auf 60 km/h beträgt 5,7 sec. Mit einer vollen Batterie-Ladung kommt der Elektro-Smart 115 km weit. Für die Aufladung einer leeren Batterie werden 8 Stunden benötigt, bei der gängigsten Aufladung von 20 auf 80 % werden 3 ½ Stunden benötigt. Die Kosten eines solchen Akkus betragen z.Z. noch mehrere 1000 €. Für noch mehr Speicherkapazität sollen die Li-Ionen-Akkus sorgen, die bereits im Kleinformat in Laptops und Handys eingesetzt werden. Mit einer Energiedichte von rund 200 W/kg gilt er als einer der aussichtsreichsten Kandidaten für den Elektroantrieb. Reichweiten von mehr als 100 km scheinen bei normaler Fahrweise möglich. Die Energiedichte lasse sich mit neuen Materialien für Anode und Kathode weiter steigern.3) 2. Lithium-Ionen-Akkus Aufbau und Eigenschaften Die Materialien für die Li-Ionen-Akkus sind heute vielfach LiCoO2 (Lithiucobaltdioxid) für die negative Elektrode (Kathode) , Grafit für das positive Gegenstück (Anode) Dazu kommen Elektrolyte – leitfähige Materialien, wie LiPF6 (Lithium-Hexafluorophosphat) in wasserfreiem Ethylencarbonat, die den Fluss der Lithiumionen durch den Stromspeicher ermöglichen 1,13).Außerdem enthalten die Li-Ionen-Akkus Separatoren (häufig Kunststoff), die die Aufgabe haben, Anode und Kathode im Akku zu trennen.3,4) Der Lithium-Ionen-Akkumulator muss komplett wasserfrei sein (Gehalt an H2O <20 ppm), da sonst das Wasser mit dem Leitsalz (Elektrolyt) LiPF6 zu HF (Flusss￤ure) reagiert. Ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist im Gegensatz zur Lithium-Batterie wieder aufladbar. Der Li-Ionen-Akku zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus. Er ist thermisch stabil, liefert über den Entladezeitraum eine konstante Spannung. Li-Ionen-Akkus kennen keinen Memory-Effekt und haben eine geringe Selbstentladung. Der Wirkungsgrad, also das Verhältnis zwischen Entlademenge zu Lademenge, liegt beim Lithium-Ionen-Akku aufgrund der hohen Beweglichkeit der Lithiumionen und des dadurch bedingten niedrigen Innenwiderstands bei ca. 95 %. Der Wirkungsgrad ist temperaturabhängig und nimmt mit niedriger Temperatur stark ab. Die nutzbare Lebensdauer beträgt mehrere Jahre; allerdings ist dies stark von der Nutzung und den Lagerungsbedingungen abhängig. Meist wird eine Lebensdauer von ca. 500 Ladezyklen angegeben. Die Kapazit￤t eines Lithium-Ionen-Akkus verringert sich selbst ohne Benutzung mit der Zeit, hauptsächlich durch parasitäre Reaktion des Lithiums mit den Elektrolyten.3) Der Ladezustand soll 40–60 % betragen, kühle Lagerung ist vorteilhaft. Die Elektrolyte in der Zelle dürfen nicht gefrieren, was einer Mindesttemperatur um −25 °C entspricht. Hersteller empfehlen eine Lagerung bei 15 °C bei einem Ladestand von 60 % – ein Kompromiss zwischen beschleunigter Alterung und Selbstentladung. Zur Zeit gilt die Faustregel, dass ein Li-Ionen-Akku nach ca. drei Jahren mehr als 50 % seiner Kapazität eingebüßt hat. 3) Gefahren beim Umgang mit Li-Ionen-Akkus3) Viele der im Folgenden aufgeführten Risiken, die beim Umgang mit klassischen Li-Ionen-Akkus zu beachten sind, konnten bei den neuesten Weiterentwicklungen eliminiert werden. Mechanische Belastung Mechanische Beschädigungen können zu inneren Kurzschlüssen führen. Chemische Reaktionen
Thermische Belastung
Anwendungsbereiche von Lithium-Ionen-Akkus6) Sie versorgen tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, für die herkömmliche Nickel-Cadmium-Akkus bzw. Nickel-Metallhydrid-Akkus zu schwer oder zu groß wären.
Hersteller von Lithium-Ionen-Akkus sind z.B. Varta, Bosch, Samsung, Sanyo, Panasonic, NEC.13) Der erste kommerziell erhältliche Li-Ion-Akku wurde von Sony im Jahr 1991 auf den Markt gebracht und in der CCD TR 1 8-mm-Videokamera eingesetzt6) 3. Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus für PKWs Für große Stromspeicher genügten die Lithium-Ionen-Akkus jedoch lange Zeit nicht den Sicherheitsanforderungen. Da die bisher üblichen Kunststoff-Separatoren bei 160 °C schmelzen, kann eine Überladung einen Kurzschluss und Brand zur Folge haben. Lösungen liegen hier in der Bereitstellung neuer Materialien und Komponenten, zum Beispiel dem Batterieseparator SEPARION® der Firma Evonik, die in Marl/Westfalen hergestellt werden. Diese Separatoren bestehen aus semipermeablen Keramik-Membranen, die die Aufgabe haben, Anode und Kathode im Akku zur Vermeidung von Kurzschlüssen zu trennen. Die Separion-Membran besteht aus einer Polymermatrix, die auf beiden Seiten keramisch beschichtet und dennoch hoch flexibel ist. Li-Ionen-Akkus mit Keramikmembran sollen sogar einen Unfall überstehen. Die Keramikmembran hält bis 500 Grad und bewährt sich seit 50.000 Kilometern in einem Honda Civic.5) Am Standort Kamenz bei Dresden fertigt Evonik die Elektroden (LITARION™). Mit diesen und den Separatoren (SEPARION®) werden daraus in der Li-Tec Battery GmbH & Co. KG (ebenfalls in Kamenz) Lithium-Ionen-Zellen hergestellt werden. Diese werden dann zu Akkus weiterverarbeitet. Derzeit werden laut Evonik in Kamenz pro Jahr Teile für 30 000 Batterien produziert, die in Hybridautos verwendet werden können.7)160 Zellen aus Kamenz benötigt etwa ein Elektroauto der Golfklasse um bei Tempo 130 rund 150 km zurückzulegen.8) An der Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus wird intensiv gearbeitet:So hat Evonik an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster eine Stiftungsprofessur für angewandte Materialwissenschaften zur Energiespeicherung und Energieumwandlung eingerichtet 8) Ziel dieser Professur ist es, ein international wettbewerbsfähiges Forschungsprogramm auf dem Gebiet der Energiespeicherung großvolumiger Lithium-Ionen-Akkus zu etablieren. An der Stiftungsprofessur sind neben Evonik die Chemetall GmbH und die Volkswagen AG beteiligt. Die Professur ist mit 2,25 Millionen Euro für einen Zeitraum von fünf Jahren ausgestattet. Mit dem Programm „Lithium Ionen Batterie“ LIB 2015“ fördert das Bundesforschungs-ministerium mit 60 Mill.€, verteilt über 4 Jahre, die Entwicklung von Akkus für Hybrid- und Elektroautos sowie zur Speicherung erneuerbarer Energie. Robert Bosch und die koreanische Samsung SDI steigen gemeinsam in die Produktion von Lithium-Ionen-Akkus für PKW ein. Ab 2010 soll die jetzt gegründete „SB LiMotive Co.Ltd die Produktion starten. Erste Akkus sollen 2011 vom Band kommen. Beide Unternehmen wollen in den nächsten 5 Jahren 400 Mill.$ investieren.8) Mit 372 Mill. US $ will Sony bis zum Jahr 2010 die Produktionskapazität für Lithium-Ionen-Akkus um 80 % steigern. Derzeit stellen die Japaner monatlich 41 Mill. Zellen her. Die neue Technologie eröffnet damit neue, hochattraktive Anwendungsfelder. Neben Hybrid- und Elektrofahrzeugen zählen dazu Lithium-Ionen-Energiespeicher zur effizienteren Nutzung regenerativer Energiequellen. Beide Einsatzgebiete versprechen Marktvolumina jenseits der Milliarden-Euro-Grenze. Die Markt-Prognosen sind beeindruckend: Mit Lithium-Ionen-Akkus sollen im nächsten Jahrzehnt mehr als 10 Milliarden Euro umgesetzt werden. Jährliche Wachstumsraten von über zehn Prozent bis 2015 werden dem noch jungen Markt vorhergesagt. Damit wird auch der Markt für Batteriematerialien wachsen: laut Schätzungen von derzeit 1,4 Milliarden Euro auf 3,9 Milliarden Euro im Jahr 2015.5) 4. PKWs mit Lithium-Ionen-Akkus im Großtest 1) Daimler und RWE wollen ab 2009 gemeinsam ein Netz von 500 Ladestationen für eine Flotte von 100 Elektro-Smarts aufbauen in ihrer Initiative „e-mobility Berlin“. Daimler liefert dann die Mit einer intelligenten Fahrzeugerkennung soll die automatische Abbuchung der Ladekosten in die Wege geleitet werden. Ab September 2010 sollen dann noch andere Fahrzeuge von Mercedes-Benz hinzukommen. Der unter dem Wagenboden eingebaute Akku erlaubt 115 km Reichweite, Höchstgeschwindigkeit 112 km/h. Die Ladezeit soll bei leerem Akku 2 Stunden betragen.9)10)11) Bei ihren Plänen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge können die Firmen auf serientaugliche Lösungen von Zulieferern wie Bosch, Continental und Evonik zurückgreifen.8) 2009 will Daimler als weltweit erster Hersteller ein Serienfahrzeug mit Lithium-Ionen-Antrieb auf den Markt bringen. Im S 400 BlueHybrid unterstützt eine 20 PS starke Li-Ionen-Zelle den Ottomotor. Vorsichtshalber haben die Ingenieure den Akku in das Kühlsystem des Fahrzeugs integriert. iPod im Motorblock2) Auch in Frankreich forcieren die Autobauer den Einsatz von Elektroautos und die dafür notwendige Infrastruktur. Sowohl der franz.-japan. Autoverbund Renault-Nissan und auch Peugeot Citroen schlossen mit dem staatlichen Elektrizitätskonzern EDF eigenständige Abkommen zur Förderung des Elektroautos. Der französische Präsident Nicolas Sarkozy: „wir werden in den nächsten 4 Jahren 400 Mill. € öffentliche Mittel für die Entwicklung von Elektro- und Hybridautos mobilisieren.12) Mitsubishi will Ende 2009 mit einem 4-Sitzer mit Li-Ionen-Akku und 47 KW-Maschine auf den Markt kommen. Eine Batterieladung reiche zwar nur für 130 km, aber der Verbrauch beträgt nur 20 kWh/100 km. Das gilt immer für Elektroantrieb, weil nur ca. 5% der Energie im Motor verloren geht, im Gegensatz zum Benzinmotor. Viele weitere Fahrzeughersteller, wie General Motors , Ford, Toyota, Honda und Nissan kündigen Elektroautos an. VW will laut Konzernchef Martin Winterkorn 2010 als erster Anbieter eine Großserienlösung auf den Markt bringen.9) Zusammenfassung: Elektro-PKW’s realisiert in jüngster Zeit Peugeot-Citroen: 10.000 Autos mit Ni-Cd-Akku seit 1995 verkauft. Wegen der Giftigkeit von Cadmium 2005 durch die EU verboten Toyota: seit 1997 Serienmäßiges Hybrid-Auto mit Nickel-Metallhydrid-Akku. Daimler: 100 neue Elektro-Smarts fahren z.Z. im Dienst von Polizei und Firmenkunden in London mit Natrium-Nickelchlorid-Akku (auch „Zebra“ (Zero Emission Battery Reseach Activity) Daimler und RWE wollen ab 2009 gemeinsam ein Netz von 500 Ladestationen für eine Flotte von 100 Elektro-Smarts aufbauen (”Initiative ”e-mobility Berlin“). Mitsubishi: will Ende 2009 mit einem 4-Sitzer mit Li-Ionen-Akku und 47 KW-Maschine auf den Markt bringen VW: will laut Konzernchef Martin Winterkorn 2010 eine Großserienlösung für Elektro-PKW anbieten Viele weitere Fahrzeughersteller, wie General Motors , Ford, Toyota, Honda und Nissan kündigen Elektroautos an. Frankreich: Renault-Nissan und auch Peugeot-Citroen schlossen mit dem Elektrizitätskonzern EDF eigenständige Abkommen zur Förderung des Elektroautos. 5. Zukünftige Philosophie bei Elektro-PKWs Die wesentlichen Probleme beim Elektro-PKW sind das Gewicht und Volumen der Lithium-Ionen-Akkus sowie dessen Speicherkapazität und damit die Reichweite mit einer Akkuladung. Deshalb wird der Schwerpunkt zunächst auf dem Bau von Stadtfahrzeugen liegen, für die nur eine geringe Reichweite erforderlich ist. Vielleicht muss man sich auch von der Idee verabschieden, dass man ein Auto besitzt, das sowohl für Langstrecken als auch für Kurzstrecken geeignet ist.
Zur Logistik des Akkus: Der Akkutausch könnte über das vorhandene Tankstellennetz erfolgen und damit nicht länger als ein Tankvorgang dauern. Wenn Elektro-PKW’s in großer Zahl auf unseren Straßen rollen sollen, dann brauchen wir auch die erforderlichen Kraftwerke zur Stromerzeugung. So wäre zur Umstellung der gesamten Fahrzeugflotte in Deutschland auf Elektroantrieb etwa 10 % mehr Strom erforderlich, als unsere 17 Kernkraftwerke derzeit im Strommix liefern. Wir bräuchten also zusätzliche Kernkraftwerke in Höhe von rund 24.000 MW Leistung, das sind 15 Kernkraftwerke vom Typ EPR (wie sie jetzt in finnland und Frankreich gebaut werden)mit je 1.600 MW Leistung. Die Idee, Elektro-PKWs als Stromspeicher bei großem Stromangebot aus Windkraftanlagen zu nutzen14) erscheint futuristisch, ist aber von der Logistik her kaum zu realisieren. Literatur 1. Die Stromer machen sich auf den Weg- Autoindustrie setzt auf Elektroantriebe FAZ 06.09.08 1a. Energie speichern - aber wie ? novo 91/92 11.2007 – 2.2008 S,7 0 -72 2. Pod im Motorblock http://www.focus.de/auto/unterwegs/energie-ipod-im-motorblock_aid_320505.html 3.http://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator 4. Engpassfaktor Akku 5. Newsletter Evonik Industries 05.11.2007 6. Firmengeschichte Sony 7. Evonik Folio 7, 2008 8. Evonik- Magazin 1/2008 S. 24: Ein Trio unter Spannung 9. Politiker und Manager setzen auf Elektroautos, VDI-Nachrichten 11.07. 2008, S.1 10. Daimler und RWE testen Elektro-Auto-Flotte in Berlin Welt 06.09.08 11. Smarte Wagen tanken Strom , VDI-Nachr. 12.09.08, S.1 12. Frankreich subventioniert Öko-Autos, Handelsblatt 10.10.08 13. Leichtelektromobil – Entwicklung, Fa. Robo-Store Ltd.http://www.elektro-pkw.de 14 .Auto als Teil des Stromnetzes, Die Zeit 03.07.08
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