Dr. Pia Beckmann

IHK-Innovations- & AnwenderClub Elektromobilität
Li-Ionen Akkus für mobile Anwendungen
Kritische Bereiche, Herausforderungen und
Forderungen aus Sicht eines Anwenders
IHK-Innovations- & AnwenderClubs Elektromobilität
Dr. Pia Beckmann
clean energy GmbH
12. Dezember 2013

clean energy – Faktor GmbH
Seit Q4 2012
Partnerschaft zwischen
clean energy GmbH und
Faktor GmbH, Kolbermoor
‣ Entwicklung und Fertigung von Sonderteilen und Serienteilen für
Industrie und Handel
‣ Schwerpunkt: Metallverarbeitung und Erneuerbare Energien
‣ Produkte: Bauteile und fertige Komponenten

Schwerpunkte
Zulieferer von
LiFePo4 -Akkus
und sonst. Zubehör
für elektromobile
und stationäre
Anwendungen
Stationäre
Stromspeicher
Messen und Testen
Netzintegrierte
Anwendungen

Erster zertifizierter MW-Speicher
für Regelenergie!
April 2013

Stationäre Speicheranwendungen
MW Speicher für Netzstabilisierung und Versorgungsqualität
PRL und SRL als Beitrag zur Regelenergie
Regulierung der Netzspannung
Schwarzstartfähigkeit
Speicher für Industrieanwendungen
Lastausgleich
Reduzierung der teuren Strompreise zu Peak-Zeiten
Verhinderung von Kurzunterbrechungen und Stromausfällen im Produktionsprozess
Speicher für kleinere Gewerbebetriebe und Bauernhöfe
Erhöhung des Eigenverbrauchs durch Stromspeicher bzw.
BHKW plus Speicher
Absicherung bei Stromausfällen im Verteilnetz
Der Stromspeicher für zu Hause
Erhöhung des Eigenverbrauches
Mehr Unabhängigkeit
Dauerhaft Einsparungen

Überblick
(1) Lithium-Ionen-Zellen
(2) Kritische Bereiche
(3) Forderungen

Überblick
(1) Lithium-Ionen-Zellen
(2) Kritische Bereiche
(3) Forderungen

Allgemeines
Industriebatterien
• Batterien sind Akkumulatoren
• Einsatz für z.B. Elektrofahrzeuge zu Wasser, Luft und Land,
stationäre Speicher und unterbrechungsfreie
Stromversorgung

Aufbau Lithium-Ionen-Akku
Lithium-Ionen-Wanderung zw. Elektroden
e
e
Negative Elektrode:
meist Graphit, in das beim Laden aus der
positiven Elektrode stammendes Lithium
eingelagert wird.
Positive Elektrode (ungeladen):
z. B. Li-Kobalt, Li-Mangan, Li-Eisenphosphat …
Aluminium
Kupfer
Lithium
Sauerstoff
Graphit
Separator
Quelle: http://epub.uni-regensburg.de/18757/1/Diss_Dominik.pdf
M (Co. Ni, Mn, Fe)

Lithium-Eisenphosphat-Akku
LiFePO4-Akkus
Deutlich geringerer Innenwiderstand als bei LiKobalt oder LiMangan-Elektroden
Außerdem:
• Besseres Kälteverhalten
• Mehr Ladezyklen
• Höhere Energiedichte
• Weniger Lithium bei gleich. Energieinhalt
• Sehr gut für Hochstromanwendungen
• Geringere Nennspannung (ca. 3,3 V)
Quelle: http://epub.uni-regensburg.de/18757/1/Diss_Dominik.pdf

Lithium-Eisenphosphat-Akku
Hohe Sicherheit
Keine Memory-Effekt
Leicht gegen Bleiakkus austauschbar
Hohe Zyklenfestigkeit
Geringe Selbstentladerate
Schnellladefähig
ABER:
Geringere Energiedichte als
Li-Polymer-Akkus und schwerer
Quelle: http://epub.uni-regensburg.de/18757/1/Diss_Dominik.pdf

Anwendungsbereiche eMob

vom
25.10.2012
Anwendungsbereiche eMob

Anwendungsbereiche eMob
Schweizer ePostfahrzeug (Kyburz)
eKutschen für Touristen (Aaglander)
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Überblick
(1) Lithium-Ionen-Zellen
(2) Kritische Bereiche
(3) Forderungen
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Kritische Bereiche
Seit mehr als 200 Jahren optimieren
Wissenschaftler und Techniker Batterien in
ihren verschiedenen Anwendungsfeldern.
Vgl. Elektrische Energiespeicher: Dr. rer. nat. Jochem Bogen, neuere Entwicklungen aus den Bereichen Medizin- und
Fahrzeugtechnik sowie Netzstabilisierung und Lastausgleich, Arbeitskreis Energie (AKE-2005-H) der Deutschen
Physikalischen Gesellschaft, 28.10.2005.
‣ Elektrochemie
Anorganische-, Organische,-Polymer-Chemie,
Keramik
‣ Werkstoffe
Metalle, Kunststoffe, Dichtungen, Korrosion, Toxizität
‣ Verfügbarkeit der Rohstoffe
‣ Konstruktion
Integrität/Stabilität, Wechsel- und
Ladevorrichtungen
‣ Sicherheit
Ausstoß, Wärmeentwicklung, Explosionsgefahr
‣ Entsorgung
Besonders von Industriebatterien, Life-Cycle-
Analysen
‣ Umgebungs-/ein-wirkungen
Toxische Verbindungen, Allergien

Überhitzt - Explodiert
Boeing, Dreamliner

Boeing, Dreamliner
Überhitzt - Explodiert

Geschwollen - Verformt

Undicht – Sicherheitsventil

Undicht - Naht

Aufgeplatzt (LiPolymer)

Falsch montiert - Deformiert

Plus/Minus vertauscht - Kurzschluss

Aufgelöst – Aufgebläht - Defekt

Falsch aufgeladen

Case geplatzt – Batterie intakt

Überblick
(1) Lithium-Ionen-Zellen
(2) Kritische Bereiche
(3) Herausforderungen - Forderungen

‣ Erweiterung der Tests
‣ Neue Hülle (Zelle/Elektrik!)
‣ Neue Isolierung oben
‣ Elektrische Isolierung der
Zellen und Zellen/Case
‣ Bessere thermische Isolation
‣ Upgrade Kabel (innen und
außen ) für mehr
Hitzeresistenz
‣ Titanfixierungen
‣ Feuchtigkeitsdrainage
‣ Sicherheitsventil
‣ Abdichtung um Sauerstoff-
Reaktion zu verhindern!
Beispiel Boeing: Angriffspunkte (LiPolym)

Herausforderungen
o
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o
Formstabilität - Konstruktion
Elektrochemische Stabilität
Thermische Stabilität
Sicherheit
Dichtigkeit
Widerstandsfähigkeit
(Umgebungsbedingungen)
Gewicht
Leistungs- und Energiedichte
Recyclingeigenschaften
Preis

Forderung: Tests und Analyse
‣ Materialorientierte Analyse (äußerlich, Beschichtung der Elektroden,
Elektrolyteigenschaften …)
‣ Elektrische und thermische Charakterisierung von Batteriezellen
‣ Tests unter best. anwendungsorientierten Bedingungen (extr. Umweltbed. wie
Temp. und Luftfeuchtigk.) sowie Lastzyklen
‣ Strom-Spannungsmessung und Impedanz-spektroskopische Analyse
‣ Post-Mortem-Analyse (Alterungseffekte und Abbauverhalten verwendeter
aktiver Materialien)
Ziel:
Zielgruppe:
Qualitätsbestimmung, Qualitätsverbesserung, mehr Sicherheit,
Verbesserung des Batt.-Managements und der anwendungssund
umweltspezif. Auslegung von Akku-Systemen, Verbesserung
in Produktionsprozess u. Preis-Leistungsverhältnis, höhere
Ressourceneffizienz
Hersteller von Batteriematerialien, Akku-Hersteller, Assembler,
Händler, Speicherproduzenten, Versicherungen, Verbraucher

Forderung für mehr Sicherheit:

Forderung: Entsorgung
Die Batterieverordnung regelt die Rücknahme und
Entsorgung von Batterien in Deutschland.
Sinnvolle Lösung für Industriebatterien fehlt!
Recycling-Denken fängt beim Batterie-Design an!

Forderung: Marktfähigkeit und Marktdesign
‣ Einheitlich definierte Schnittstellen zur Nutzung von
mobilen und stationären Speichern als
Ausgleichsenergie und netzstabilisierende
Maßnahmen von der Niederspannungsebene an
‣ Verbesserung der Prognosewerkzeuge
‣ Entwicklung marktkonformer Instrumente
‣ Klare Einordnung von Speichern (mobil und
stationär) im Rahmen des EEG und aller
notwendigen Regulatorien

Kontakt:
beckmann@cleanenergygmbh.de
Ab 01.01.2014
beckmann@go-cleanenergy.de
beckmann@faktor.de
Tel: +49 1520 175 44 85
Dr. Pia Beckmann
clean energy GmbH
Geschäftsführerin