Lithiumbatterien für stationäre und mobile Anwendungen: Benchmarking und experimentelle Umsetzung
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Beschreibung
Um die Emission anthropogener Treibhausgase zu reduzieren, bedarf es der Umstellung der
elektrischen Energieerzeugung auf regenerative Energieträger und der Elektrifizierung des
Transportsektors. Um dies zu verwirklichen, ist es unerlässlich, neue elektrochemischer
Speicher einzuführen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, ein Modell zu
entwickeln, um das applikationsspezifische Potential von Lithiumbatterien und deren
Komponenten bewerten zu können. Zudem werden vordringliche Forschungsschwerpunkte
abgeleitet und die identifizierten Arbeitsfelder präparativ bearbeitet.
Der Arbeitsansatz basiert auf der Entwicklung eines Benchmarkingmodells, das eine
Bewertung von Anoden, Kathoden, Elektrolyten und Passivkomponenten in Lithiumbatterien
für die Anwendung in batterieelektrischen und hybridelektrischen Fahrzeugen und einem
stationären Photovoltaik-Speichersystem zulässt. Auf Grundlage einer Literaturstudie werden
für die Anforderungen: Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit, Lebensdauer, Kosten und
Rohstoffbedarf limitierende Kennwerte für die Komponenten definiert und anschließend für
die Bewertung verwendet.
Das entwickelte Benchmarkingmodell lässt eine applikationsspezifische, systematische und
quantitative Bewertung der betrachteten Komponenten zu. Demnach sind Schwefelkathoden
bezüglich ihrer Sicherheitseigenschaften und der volumetrischen Energiedichte ungeeignet
für die berücksichtigten Applikationen. Lithium- und Zinnanoden sowie die Co- und Nibasierten
Kathoden: LiCoO2, LiNiO2, LiNi0,8Co0,15Al0,05O2 und LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2 können
aufgrund ihrer Sicherheitseigenschaften in den betrachteten Anwendungen nicht eingesetzt
werden. Li4Ti5O12 ist aufgrund der geringen Kosten- und Rohstoffbewertungsfaktoren als
Anode ungeeignet für stationäre Systeme. Organische beziehungsweise anorganische
Festelektrolyte sind aufgrund der geringen Leitfähigkeiten beziehungsweise der Ausbildung
von Kontaktwiderständen bei der Zyklisierung nicht für den Einsatz in großskalierten Zellen
geeignet. Kombinationen aus Siliziumanoden mit Hochkapazitäts- oder Hochvoltkathoden
ermöglichen eine Verdopplung der Energiedichte im Vergleich zu derzeitigen Systemen für
batterieelektrische Fahrzeuge. Zellen mit Graphitanoden weisen eine im Vergleich zu
Siliziumanoden verringerte Energiedichte, jedoch eine erhöhte Lebensdauer auf. Zellkonzepten
auf Basis von LiFePO4 und Li4Ti5O12 wird eine hohe Leistungsdichte, in Kombination mit
hohen Sicherheits- und Lebensdauerbewertungen für Batterien in hybrid-elektrischen
Fahrzeugen zugeordnet. Der Einsatz von TiO2-Anoden und LiFePO4-Kathoden in
lebensdauer-, rohstoff- und kostenoptimierten Zellen wird für stationäre Systeme identifiziert.
Die Degradation neuer Hochvoltkathoden mit konventionellen Elektrolyten auf Basis
organischer Carbonate ist bislang nicht hinreichend untersucht. Durch die experimentelle
Bestätigung eines hergeleiteten Alterungsmodells kann gezeigt werden, dass sobald ein
Elektrolyt thermodynamisch instabil gegenüber dem Potential der Kathode ist, die Elektrolytoxidation
auch nach der Bildung von Oberflächenschichten durch eine diffusionskontrollierte
Kinetik berücksichtigt werden muss. Der Einsatz hochvoltstabiler Elektrolyte ist unerlässlich,
um sowohl die Lebensdauer als auch die Sicherheitskennwerte von Hochvoltkathoden zu
optimieren. Die Charakterisierung von Elektrolyten auf Basis neuer ionischer Flüssigkeiten
mit einem 5-Cyanotrazolidanion lässt die Bewertung des Systems anhand des entwickelten
Modells zu. Diese zeigt, dass die Verbindungsklasse vergleichsweise hohe Leistungsdichteund
Sicherheitskennwerte aufweist und ein ausreichendes anodisches Stabilitätsfenster für
den Einsatz mit Hochvoltkathoden zeigt.
Autor*in
Timm Bergholz
Themen in »Lithiumbatterien für stationäre und mobile Anwendungen: Benchmarking und experimentelle Umsetzung«
Benchmarking Lithiumbatterien Treibhausgase