Vom Megatrend Li-Ionen-Batterien und dem Rohstoff Lithium
von Tim Schäfer/ Envites Energy, Nordhausen  (Version Mai 2016 (V.003))


Vom Megatrend Li-Ionen-Batterien

Li-Ionen-Batterien sind ein Megatrend. Lithium ist das leichteste Metall der Welt. Steigt die Lithium-Nachfrage um +400%?

Aufgrund der erreichten Eigenschaften der Batterien sind diese die bevorzugte Wahl für viele, seit Jahren auch wachsende Anwendungen.  Der Weltmarkt für Li-Ionen-Batterien wird 2016 etwa 22,5 Milliarden $ erreichen, das Doppelte von 2012! Stationäre wie mobile Anwendungen, in einer sich global sich schnell verändernden Welt, könnten die Lithium-Nachfrage während den nächsten  Jahren um +400% in die Höhe katapultieren.

Ein Megatrend, der sich auf verschiedene Innovationen stützt, ist zweifellos in Batterien zu sehen. Einerseits werden bisher unerreichte Energiedichten und Leistungsdaten bei einem gegebenen Volumen oder Gewicht erreicht. Und dies bei sehr hoher Sicherheit, Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit.
Nicht zuletzt können tausende Betriebszyklen bei langen Jahren einer verfügbaren Lebensdauer nachgewiesen werden.

Gesamt bei einem guten Preis- Leistungsverhältnis. Andererseits kündigen sich bspw.  mit den wiederaufladbaren Li-Metallbatterien diverse Innovationen an, die bereits Einzug in die Vorentwicklung und Vorschriften gefunden haben oder in Kürze finden werden.

wiederaufladbaren Li-Metallbatterien

 

Zusätzlich wird man sehen, das z.Bsp. neue Systeme in neuen Formfaktoren weiter an Bedeutung gewinnen werden (wie21-er Zellen oder Pouch).

Frost& Sullivan (Marktanalysten) fasst in einer aktuellen Studie strategisch wie folgt zusammen. Lithiumbatterien sind eine der Zukunftstechnologien, die weiter Industrien verändern und Wachstum auf der ganzen Welt ermöglichen werden. Große Megafabriken, Elektromobilität, stationäre, ortsfeste Anwendungen für dezentrale Energiespeicherung sind die Treiber dafür.


Markt für Großspeicher steigt auf 8,3 Milliarden US-Dollar bis 2024

Der Markt für netzgekoppelte Großspeicher wird angesichts technologischer Weiterentwicklungen und steigender Produktionskapazität in den kommenden Jahren rasant wachsen. Dies werde auch getrieben durch Anreizprogramme, die es in immer mehr Ländern gebe, schreiben die Analysten von Frost & Sullivan. Die Kommerzialisierung von netzgekoppelten Kraftwerksspeichern werde nach 2017 noch mehr Fahrt aufnehmen. Während 2014 die Umsätze für netzgekoppelte Energiespeicher noch bei etwa 460 Millionen US-Dollar lagen, werden sie bis 2024 voraussichtlich auf 8,3 Milliarden US-Dollar steigen, wenngleich die Li-Ionen-Speicher in der Anwendung dominant aber nicht exklusiv sein werden.

Quelle: www.pv-magazine.de


Lithium ion battery Materials

Abb.: verschiedene Materialien für Li-Ionen, Quelle: Dr. Wohlfahrt-Mehrens, ZSW Ulm

 

Im Zusammenhang mit dem Ausbau erneuerbarer Energien und bspw. sekundären Li-Metallbatterien stellt sich jedoch durchaus nochmal die Frage, ob den der Rohstoff Lithium genügend dafür wirtschaftlich und nachhaltig zugänglich gemacht werden kann.

Daten für die Bedarfe der neuen sekundären Metallbatterien sind noch nicht gesichert. Bei zu erwartendem Erfolg wird dann aber deutlich mehr Lithium in metallischer Form benötigt. Andere Anwendungen im Bereich der Lithiumbatterien weisen aber ebenso ein Wachstum auf (CCC, Internet der Dinge, PT).


Sekundäre Li-Metall Zelle

Eine sekundäre Li-Metallzelle unterscheidet sich von primären Batterien in Allem, ausgenommen der Li-Metallelektrode, die aber auch mit einem Schutzfilm angeordnet sein kann. Hier können Feststoffkonzepte aber auch keramische Materialien eine besondere Funktion übernehmen. Der Elektrolyt kann als zumindest teilweise festgelegt angesehen werden.

Solid Batteries

All Solid Batteries/sekundäre Li-Metall, Quelle: Koreanischer Batterieverband, 2016


Funktionsweise und Aufbau einer Li-Ionen-Zelle

Obwohl bei den Redox-Reaktionen kein metallisches Lithium vorkommt, wird beim Laden des Li-Ionen Akkus metallisches Lithium in die Graphit-Struktur eingelagert. Es bildet sich eine sog. Interkalationsverbindung.

Beim Entladen werden an der Anode Li-Kationen und Elektronen frei. An der Katode werden die durch Elektrolyt und Separator gewanderten Li-Ionen im Kathodenmaterial eingebaut. Varta kennzeichnete dieses Prinzip früher als „Swing“.

Die Lithiumionenakkus werden zunächst je nach Aufbau bzw. den eingesetzten Elektrodenmaterialien weiter untergliedert: der Lithium-Polymer-Akkumulator, Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator (LiCoO2), Lithium-Titanat-Akkumulator, der Lithium-Luft-Akkumulator, der Lithium-Mangandioxid-Akkumulator, der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4) und der Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Systeme.

Kenndaten, wie Zellenspannung, Temperaturempfindlichkeit oder der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom, variieren bauartbedingt stark und sind wesentlich vom eingesetzten Elektrodenmaterial und Elektrolyt abhängig. Die Angabe des Subtyps (z. B. „Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator“) ist aus diesem Grund informativer als die Angabe des Oberbegriffs „Lithiumionen-Akkumulator“.

Das aktive Material der negativen Elektrode eines gängigen Lithiumionen-Akkus besteht aus Graphit. Die positive Elektrode enthält meist Lithium-Metalloxid-Verbindungen, wie LiCoO2 (Lithiumcobaltdioxid), LiNiO2, LiMn2O4.oder LiFePO4. Der Elektrolyt muss absolut wasserfrei sein und besteht Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan und gelösten Lithiumsalzen wie LiPF6. Nebst Additiven, die in der Regel Know-how des Herstellers sind.


Aus 60 Ah sind… 94 Ah geworden – Revolution durch Innovation am Beispiel einer EV Zelle von Samsung SDI (Korea)

60 Ah - EV Zelle

Quelle: Samsung SDI

Die Abbildung zeigt eine Zelle der jetzigen EV Generation, deren Aufbau möglicherweise weiter optimiert oder fortentwickelt worden ist oder wird. Es gelang dem Hersteller die Zelle auf 94 Ah auszulegen, zu qualifizieren und in die industrielle Produktion unter hohen Ansprüchen der Qualität für die Anwendung im EV zu innovieren.

 

Individuelle Elektromobilität 2016 - zwei ausgewählte Beispiele

Individuelle Elektromobilität

Quelle: www.auto-motor-und-sport.de
Quelle: www.bmw.de


Der elektrische BMW i3bekommt zum Sommer 2016 eine technische Modellpflege – und keiner sieht es. Li-Ionen-Batterien neuster Generation machen dies möglich. Ein neues Akkupaket mit nutzbaren 29 KWh sorgt für deutlich mehr Reichweite und mehr Alltagsnutzen ohne Range Extender!

Eine höhere Speicherdichte der Lithium-Ionen-Zellen bringt dem bei Leipzig in Sachsen produzierten  Elektromobil eine Kapazität von gesamt 33 Kilowattstunden. Die Normreichweite vergrößert sich damit um 50 Prozent von bisher 190 auf optimistische 300 Kilometer, mindestens aber 200 km.

Damit ist individuelles, emissionsfreies Fahren urban auch dann ausreichend möglich, falls einmal das Laden vergessen worden ist.  Denn das stört den Li-Ionen-Akku nicht sonderlich.  Diese sind systembedingt doch auch teilgeladen in der Lage, gut zu performen. Prima!

Noch dazu hat dies wohl eher keine Auswirkungen auf die Lebensdauer. Exzellent!

Ein bemerkenswerter Vorteil der Li-Ionen-Batterien. Die Fahrleistungen des nunmehr 1245 Kilogramm schweren BMW i3 bleiben durch die Überarbeitung unverändert. So leistet der Elektromotor wie bisher 125 kW / 170 PS und beschleunigt in 7,3 Sekunden aus dem Stand auf Tempo 100.

Es gibt auch die Möglichkeit einer Schnellladung, die bei drei h liegt. Also auch nach der Arbeit ist mit Aufladen das große Hobby oder Shopping mit elektrischem Fahrspaß jedenfalls drin. Damit sich die Ladezeit nicht nennenswert weiter verlängert, wurde die Ladetechnik ebenfalls angefasst. Das mehrphasige AC-Schnellladen wurde auf 11 kW ausgeweitet. Der bisherige BMW i3 konnte an der Steckdose nur einphasig mit 7,4 kW erstarken. Die Ladezeit des neuen BMW i3 mit 94 Ah liegt mit Schnellladung bei drei Stunden; an der Haushaltssteckdose sind es lange zehn Stunden.


Ende Teil I - Fortsetzung folgt in Kürze

 

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