STRUKTURSTUDIE - page 17

gar bei 11.000 Wh/kg und damit im Bereich konventioneller Kraft-
stoffe. Das technisch nutzbare Potenzial wird langfristig bei 1.700
Wh/kg gesehen (IBM, Polyplus), da zusätzliche Materialien einge-
bracht werden mussen, um Korrosion oder unerwünschte Neben-
reaktionen mit Stickstoff, CO
2
oder Wasserdampf zu verhindern.
Laborsysteme werden deshalb in reiner Sauerstoffumgebung be-
trieben und erreichen heute in der Praxis bis zu 700 Wh/kg (Poly-
plus). Die Zellspannung liegt dabei etwa bei 2,6 V. Problematisch
ist heute die Reversibilität der chemischen Prozesse, weshalb
Prototypen heute nur wenige Male (< 100) bei stark nachlassender
Kapazität wieder aufgeladen werden können. Grund ist unter an-
derem eine Zersetzung der Elektrolyte. Lithium-Luft-Technologien
befinden sich heute noch im Status der Grundlagenforschung. Ob
und wann sich dieser Zelltyp in Serienanwendungen einsetzen
lässt, ist heute noch nicht abzusehen, vor 2030 wird aber nicht mit
einem Einsatz gerechnet [Korthauer (2013)].
HOCHVOLT-ZELLEN
Weitere Entwicklungen zielen darauf, höhere Spannungen in
den Zellen zu ermöglichen. Damit könnte man mit einer geringe-
ren Anzahl an Zellen auskommen. Zielgrößen liegen hier bei 5 V.
Hochvolt-Materialien gelten bereits als anwendungstechnisch
fortgeschritten (beispielsweise LiNi
x
Mn
y
Co
z
O
2
, LiCoPO
4
, LiNiPO
4
,
Hochvolt-Spinell) und könnten mittel- bis langfristig in Batteriesys-
temen zum Einsatz kommen [Hartnig (2011)]. Aktuelle Werte liegen
bei 4,3 V. Der Spannungsbereich lässt sich allerdings nicht belie-
big erhöhen, da insbesondere derzeitige Materialien bei höheren
Spannungen instabil werden und auch hochvoltstabile Elektrolyte
nicht vorliegen [Möller (2011)]. Forschungsbestrebungen gibt es
außerdem hinsichtlich der Verbesserung der Sicherheit, Zyklen-
festigkeit und Lebensdauer.
LITHIUM-POLYMER- UND FESTSTOFFBATTERIEN
Bei Lithium-Polymerzellen besteht der Separator/Elektrolyt aus ei-
nem festen oder gelförmigen Polymer. Vorteile der Polymerzellen
liegen insbesondere bei einer höheren Sicherheit [Fraunhofer ISI
(2012)]. Problematisch dagegen sind die eingeschränkten Betriebs-
temperaturen (reichen bis 80 °C) bei festen Polymeren, welche
ein Thermomanagement erfordern [Korthauer (2013)]. Polymer-
elektrolyte eignen sich besonders bei metallischen Lithiumanoden
(Lithium-Metall-Polymerzellen, LMP), da damit das dendritische
Wachstum des Lithiums beim Wiederaufladen verhindert und die
Sicherheit der Batterie gewährleistet wird.
Bei Lithium-Feststoffbatterien wird der flüssige oder gelartige
Elektrolyt durch einen alternativen Feststoff ersetzt (Nicht-Poly-
mere, z.B. keramisch). Vorteile liegen in der höheren Temperatur-
stabilität und der Sicherheit [VDMA (2014)]. Problematisch ist bei
festen Separatoren dagegen die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur.
Polymer- und Feststoff-Technologien könnten mittel- bis langfristig
eine Option für Elektrofahrzeuge darstellen.
ALLGEMEINE ENTWICKLUNGSTENDENZEN
Die technologischen Entwicklungen konzentrieren sich aktuell auf
folgende Punkte [Tübke (2008); Sauer (2009); Winter (2011)]:
•• Erhöhung der Energiedichte der Anode durch Steigerung des
Lithium-Anteils: beispielsweise durch neue Anodenmateriali-
en wie Silizium-Anodenmaterial (Li
21
Si
5
) oder Zinn
•• Erhöhung von Lebensdauer und Zyklenbeständigkeit:
beispielsweise durch neue Zellchemien (LiNi
x
Co
y
Mn
z
O
2
,
LiNi
x
Co
y
Al
z
O
2
) und Verbesserung bestehender Materialien
•• Reduktion des Gefährdungspotenzials und Auswirkungen
durch interne und externe Kurzschlüsse, Überladung, Tief-
entladung und Wärmezufuhr
•• Steigerung der Sicherheit durch neue Materialien: Anoden-
materialien (TiO
2
, Metalllegierungen), Kathodenmaterialien
(LiMn
2
O
4
, LiFePO
4
), Separatoren (keramisch), Elektrolyte
(polymere Elektrolyte, ionische Flüssigkeiten, keramische
Elektrolyte)
•• Verringerung der Kosten, beispielsweise durch neue
Elektroden: Anodenmaterialien (TiO
2
), Kathodenmaterialien
(LiMn
2
O
4
, LiFePO
4
)
•• Optimierung der Leistungsfähigkeit auch bei niedrigeren
Temperaturen
•• Hochenergiezellen der nächsten Generation (Lithium-Luft,
Lithium-Schwefel)
•• Alternative Materialstrukturen: Beispielsweise durch Na-
nopartikelelektroden und nanostrukturierte Elektroden (für
Anode und Kathode)
•• Ersatz organischer Lösungsmittel und Separatoren durch
Anorganik und Keramik
•• Entwicklung lithiumunabhängiger Batterien (z.B. Zink-Luft)
und alternativer Konzepte (z.B. Redox Flow)
15
1...,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,...116
Powered by FlippingBook