Innovative Batterietechnik für FlurförderzeugeStand der Technik und Ausblick auf zukünftige TechnologienDr.-Ing. Joachim Hirth – hypermotion / Logistics Digital Conference – Frankfurt a.M. / 20.- 22.11.2017
© 2016 KION GROUP AG. All rights reserved.
Warum eine neue Batterietechnik? - Vergleich mit Blei-Säure - Prognosen über technische und ökonomische Entwicklungspotenziale
Aktueller Stand der Li-Ionen-Technik
In welche Richtung kann sich die Li-Ionen-Technologie weiterentwickeln? - Wo liegen die aktuellen technischen Hürden?
Alternativen zur Blei-Säure- bzw. Li-Ionen-Technik - Ni-Zn-Batterien- Blick über den Tellerrand: Vergleich mit Brennstoffzellen und SuperCaps
Potenzial der Li-Ionen-Technik in Flurförderzeugen- Erkenntnisse aus der Praxis
Übersicht
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Innovative Batterietechnik für Flurförderzeuge
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Warum eine neue Batterietechnik? - Vergleich mit Blei-Säure - Prognosen über technische und ökonomische Entwicklungspotenziale
Aktueller Stand der Li-Ionen-Technik
In welche Richtung kann sich die Li-Ionen-Technologie weiterentwickeln? - Wo liegen die aktuellen technischen Hürden?
Alternativen zur Blei-Säure- bzw. Li-Ionen-Technik - Ni-Zn-Batterien- Blick über den Tellerrand: Vergleich mit Brennstoffzellen und SuperCaps
Potenzial der Li-Ionen-Technik in Flurförderzeugen- Erkenntnisse aus der Praxis
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Innovative Batterietechnik für Flurförderzeuge
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Vergleich Blei-Säure- und Li-Ionen-Batterie
Stand der Technik - Vergleich Blei-Säure- und Li-Ionen-Batterie
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Blei-Säure Li-IonenSpezifische Energie [Wh/kg] 20..40 80..250
Entladestrom [C] 0,5..2 1..20
Ladezeit mäßig sehr schnell
Entladetiefe [%] < 60 > 90
Selbstentladung [%/Monat] 5..10 < 1
Wirkungsgrad [%] < 82 > 98
zyklische Lebensdauer 1200 > 2500kalendarische Lebensdauer [a] 5 10
Aufwand für die Sicherheit wenig viel
Aufwand für Wartung viel wenig
Kosten Energiespeicherung [ct/Wh] 15 25..30
Quellen: AVICENNE ENERGY Analyses 2015; S. Bauer, Akkuwelt, Vogel Business Media, 13ff, 2017
Weltweiter Umsatz mit Sekundärbatterien
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Anschaffungskosten für Li-Ionen-Batterien (Zellen)
Prognose zur Preisentwicklung und Fortschritt der Li-Ionen-Technik
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Quelle: S. Bauer, Akkuwelt, Vogel Business Media, 31ff, 2017
Technische Fortschritt der Li-Ionen-Batterien
Weitere Senkung der Materialkosten z.B. durch Substitution des Cobalt
Prognose von Winter/Hörpel, Westfälische Universität Münster: „2020 wird eine Energiedichte von 300 Wh/kg erreicht sein, danach wäre ein signifikanter Technologiesprung notwendig.“
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Warum eine neue Batterietechnik? - Vergleich mit Blei-Säure - Prognosen über technische und ökonomische Entwicklungspotenziale
Aktueller Stand der Li-Ionen-Technik
In welche Richtung kann sich die Li-Ionen-Technologie weiterentwickeln? - Wo liegen die aktuellen technischen Hürden?
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Potenzial der Li-Ionen-Technik in Flurförderzeugen- Erkenntnisse aus der Praxis
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Klassifizierung und Aufbau von sekundären Li-Ionen-Batterien (LIB)
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Quelle: D. Bresser, E. Paillard, S. Passerini, Lithium-ion batteries (LIBs) for medium- and large-scale energy storage: current cell materials and components
Schematischer Aufbau einer LIB-ZelleKlassifizierung
LIB
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Aktuelle Kathoden- und Anodenmaterialien in Li-Ionen-Batterien
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LCO LNO LNCA LNMC LMO LFP LTO
Bezeichnung Lithium-cobaltdioxid
Lithium-nickeldioxid
Lithiumnickelcobalt-aluminiumdioxid
Lithiumnickelmangan-cobaltdioxid
Lithium-manganoxid
Lithiumeisen-phosphat
Lithium-titanat
Kathode LiCoO2 LiNiO2 Li(Ni0,85Co0,1Al0,05)O2Li(Ni0,33Mn0,33Co0,33)O2 LiMn2O4
SpinellLiFePO4Olivine
LMO, LNCA
Anode Graphit Graphit Graphit Graphit Graphit Graphit Li4Ti5O12
Zellspannung[1] 3,7-3,9 V 3,6 V 3,65 V 3,8-4,0 V 3,8-4,0 V 3,3 V 2,3-2,5 V
SpezifischeEnergie <180 Wh/kg[3] <150 Wh/kg 180-250 Wh/kg[3] 180-210 Wh/kg[3] 100-120 Wh/kg 80-130 Wh/kg 85 Wh/kg
Sicherheit[2] - o - o + ++ ++Lebensdauer[2] - o + + ++ +++ +++
Zellkosten* 170 €/kWh[3] 210 €/kWh[3] 200 €/kWh[3] 230 €/kWh[3] 450 €/kWh[3]
Zykluskosten* 0,35 €/kWh[3] 0,20 €/kWh[3] 0,20 €/kWh[3] 0,15 €/kWh[3] 0,10 €/kWh[3]
Quellen: [1] Strukturstudie BWe mobil 2015 – Elektromobilität in Baden-Württemberg, [2] Nitta, Wu et al. 2015 - Li-ion batterymaterials, [3] Mähliß, 10th Battery Experts Forum , AB, 2016,
* Preis 18650 Q4/2014 (Herstellkosten)
LNCA : Weitverbreiteter Einsatz (z.B. Tesla), hohe Energiedichte & LebensdauerLNMC : Heutiger Standard, gute Sicherheit, oft in Mischung mit LMO wegen therm. StabilitätLFP : Hochstromzelle (10-50C); LTO : Hohe Sicherheit & Lebensdauer, niedrige Zellspannung
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Eigenschaften der aktuelle Kathodenmaterialien in Li-Ionen-Batterien
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Quellen: Nitta, Wu et al. 2015 - Li-ion battery materials;
Entladekennlinien Eigenschaften Li(NixMnyCoz)O2-Mischoxide
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Aktueller Stand der Li-Ionen-Technik
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Derzeitige Elektrodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien
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Quelle: P. Bieker, M. Winter, Chem. Unserer Zeit, 2016, 50, 172-186
Aktueller Stand der Technik:Heute werden hautsächlich 4V-Kathoden-materialien in Kombination mit Graphit-Anoden eingesetzt.Die Energiedichte wird derzeit haupt-sächlich durch das Kathodenmaterial begrenzt.
= E / m = U Q / m [Wh kg-1]
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Zukünftige Elektrodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien
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Quellen: P. Bieker, M. Winter, Chem. Unserer Zeit, 2016, 50, 172-186; A. Jossen, TUM, E-Motion-Days, Innsbruck 21.10.2016
In naher Zukunft:- Hochkapazitive Anoden
auf Systemebene max. 25% mehr spez. Energie
- Hochvoltkathodenauf Systemebene max. 20% mehr spez. Energie
- Hochvoltstabile Elektrolyte
In ferner Zukunft:- Problem nur lösbar durch hochkapazitive
Kathoden, wie z.B. Li-Luft oder Li-Schwefel kein Vorteil gegen über Li-Ionen bzgl. Volumen
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Aktuelle technologische Hürden der Li-Ionen-Technik
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Hochkapazitive Anoden (z.B. Silizium)
Starke Volumenänderung, mechanische Beanspruchung
Kurze Lebensdauer durch Verbrauch von Li+/Elektrolyt
5-Volt-Kathoden (z.B. LMNC, LNMO, LCPO)
Elektrolytzersetzung durch Oxidation
Kurze Lebensdauer durch Verlust an Elektrolyt
z.Zt. Nanomaterialien oder Komposit-Anoden
Aktuelle Lösung bzw. Forschung:Problematik:
hochvoltstabile Elektrolyte oder z.Zt. Titanat-Anoden
Technologische Ansätze: Auswirkung:
Hochkapazitive Kathoden (Li-Ionen-Systeme)
Keine den Anoden vergleichbare Materialien in Aussicht
Begrenzte Energiedichte (Flaschenhals)
z.Zt. noch keine praxisrelevante Lösung
in Aussicht
Li-Schwefel (Li-Metall-Systeme)
Zahlreiche, wie z.B. Stabilität, schlechte Leitfähigkeit, hohe Selbstentladung, …
Li-Luftsauerstoff (Li-Metall-Systeme)
Zahlreiche, z.B.: Gasdiffusionselektrode, Elektrolytstabilität, aufwendige Luftreinigung, Li-Metall reagiert mit Stickstoff , …
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NiZn-Batterien als Alternative zu Blei-Säure-Batterien
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Parameter:Spezifische Energie : >70 Wh/kgVol. Energiedichte : 280 Wh/LSpezifische Leistung : >2000 W/kgZellspannung : 1,65 VAnzahl der Zyklen : 800
Vorteile:- Spez. Energie 2x höher als Pb-Säure- Niedrige Impedanz (50C Entladen)- Flache Entladecharakteristik- Sehr gute Schnellladefähigkeit- Wartungsfrei- Großer Temperaturbereich- Bis zu 50% billiger als Li-Ionen- Keine / einfache Elektronik (BMS)
Nachteile:- Hohe Selbstendladungsrate- Dentritenwachstum auf der Zn-Elektrode
Quelle: Ricardo Consulting, AABC
Specific Energy
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Blick über den Tellerrand: Vergleich Li-Ion vs. Super Cap vs. FCH
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Ragone-DiagrammQuelle: Ahlberg Tidblad, Berg, Edström, Johansson, Matic (Swedish Electric & Hybrid Vehicle Centre) 2015 Batteries – present and future challenges
LIB Super Cap Brennstoffzelle
Hohe grav. Energiedichte
Sehr niedrigeEnergiedichte
Sehr hoheEnergiedichte
Hohespez. Leistung
Sehr hohespez. Leistung
Geringe spez. Leistung
Pufferung notw.
Teuer Sehr teuer Sehr teuer(H2 : 7-9 €/kg)*
Effizienz 98%
Effizienz < 50%
Effizienz ausgehend von H2
< 60%
Langsames Laden
Schnelles Laden, Limitierung durch
Infrastruktur
Schnelles Tanken
* H2 Energieinhalt: 33,3 kWh / kg
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Mögliche Arbeits- und Ladestrategien
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1. Schicht 2. Schicht 3. Schicht 1. Schicht 2. Schicht 3. Schicht
IC-Truck
E-Truck(Blei-Säure)
3-Schicht
E-Truck1-Schicht
E-Truck(Li-Ion)
2-Schicht
E-Truck(Li-Ion)
3-Schicht
*1
*1: Zeitpunkt ist abhängig von der Batteriekapazität.Batteriewechsel Tanken Laden
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Prozessintegriertes Laden (PIC) im 3-Schichtbetrieb
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Betriebsdauer : < 18 h / dLadezeiten : 20..60 min
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
1,5
14.03.2016 15.03.2016 16.03.2016 17.03.2016 18.03.2016 19.03.2016 20.03.2016
Pausenzeit [h] Ladezeit [h] SOC Ladequote
Li-Ionen-Batterie: 13 kWh, 48VLadegerät: 18 kW
Fahrzeug: Linde BR386
Eine Li-Ionen-Batterie kann vier Blei-Säure-Batterien ersetzen!
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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