Handbuch Lithium-Ionen-Batterien

424 Pages·2013·18.601 MB·German

by  Kai-Christian Möller (auth.), Reiner Korthauer (eds.)

Reiner Korthauer Hrsg.
Handbuch
Lithium-Ionen-
Batterien
Handbuch Lithium-Ionen-Batterien
o
Mit freundlicher Unterstützung von:
Batterien sind ein Schlüsselelement bei der Lösung drängender globaler Fragen zur Energiewende,
zum Beispiel im Bereich der Elektromobilität oder für dezentrale Energiespeicher für Solar- und
Windenergie. Die deutschen Batteriehersteller unternehmen erhebliche Anstrengungen, um die
vorhandenen Technologien weiterzuentwickeln.
www.energievollerleben.de
Der ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. vertritt die Interessen von 1.600
Unternehmen der Elektroindustrie und zugehöriger Dienstleistungsunternehmen in Deutschland. Jede
dritte Neuerung im Verarbeitenden Gewerbe in Deutschland erfährt ihren originären Anstoß aus der
Elektroindustrie. Die Branche beschäftigt über 840.000 Arbeitnehmer im Inland und weitere 665.000 weltweit.
www.zvei.org
Reiner Korthauer
Herausgeber
Handbuch Lithium-Ionen-
Batterien
Herausgeber
Reiner Korthauer
Fachverband Transformatoren und
Stromversorgungen im ZVEI
ZVEI
Frankfurt, Deutschland
ISBN 978-3-642-30652-5 ISBN 978-3-642-30653-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-30653-2
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Geleitwort
Es ist das Jahr 1780, als der italienische Physiker Alessandro Volta erstmals Strom mit
Hilfe der Voltaschen Säule erzeugt – einer Batterie, die aus den Metallen Kupfer und
Zink und einem Elektrolyt besteht. Damit ist es ihm erstmals gelungen, Strom nicht über
Reibungsphänomene, sondern aus der gespeicherten elektrochemischen Energie des
Elektrolyts zu erzeugen. Bereits 1802 erfand William Cruickshank die Trog-Batterie, und
damit die erste in Massen produzierte Batterie. Seitdem ist die Nutzung von Elektrizität
untrennbar mit der Entwicklung und Nutzung elektrochemischer Energiespeicher ver-
bunden. Mittlerweile haben wir uns daran gewöhnt, dass Batterien nahezu überall in ver-
schiedensten Bauarten vorzufinden sind – in elektronischen Kleingeräten ebenso wie in
großtechnischen Anwendungen.
Dennoch rücken Speichertechnologien seit kurzem in ganz besonderer Weise in
den Mittelpunkt des öffentlichen Interesses. Weltweit gewinnt die Umstellung der
Energieversorgung auf Erneuerbare Energien an Bedeutung. Spätestens seitdem wir in
Deutschland beschlossen haben, aus der Nutzung der Atomenergie bis zum Jahr 2022
auszusteigen und im Gegenzug große Mengen Erneuerbare Energien in unser Energie-
netz einzuspeisen, ist auch klar, dass wir diese großen fluktuierenden Mengen an Energie
nur effizient nutzen können, wenn uns gleichzeitig ausreichende Kapazitäten zur Zwi-
schenspeicherung von Energie zur Verfügung stehen. Integrierte Energiespeichersysteme
und deren Integration in dezentrale, intelligente Netze spielen eine Schlüsselrolle. Bis
2030 wird daher ein weltweiter Investitionsbedarf von deutlich über 300 Mrd. € erwartet.
Dieses Handbuch geht mit den Lithium-Ionen-Batterien auf einen in diesem Zusam-
menhang sehr wichtigen Speichertyp ein und beleuchtet ihn in allen seinen Facetten.
Aufgrund ihrer schnellen Reaktionsfähigkeit, dezentralen Installierbarkeit, guten Ska-
lierbarkeit und des breiten Einsatzgebietes sowohl im mobilen als auch im stationären
Betrieb kommt den Lithium-Ionen-Batterien in mehrfacher Hinsicht eine wichtige Rolle
zu.
Lithium-Ionen-Batterien werden als der wichtigste Türöffner für die Zukunft batte-
rieelektrischer Fahrzeuge angesehen. Nur sie scheinen – vor allem aufgrund ihrer hohen
Energiedichte – das Potenzial zu haben, ausreichend große Reichweiten für Elektrofahr-
zeuge realisieren zu können. Dieser Umstand und die Tatsache, dass ihr Wertschöp-
fungsanteil am Gesamtfahrzeug bei bis zu 40 Prozent liegt, sind bereits Grund genug,
V
VI Geleitwort
sich intensiv mit den Lithium-Ionen-Batterien zu beschäftigen. Schließlich sichert große
Wertschöpfung im eigenen Land Arbeitsplätze. Die Experten der Nationalen Platt-
form Elektromobilität waren sich 2011 in ihrem Bericht an die Bundeskanzlerin zwar
darin einig, dass Deutschland großen Nachholbedarf bei der Batterietechnologie hat.
Sie kamen aber auch zu dem Schluss, dass Technologieführerschaft bei Zellen und Bat-
terien sowie der Aufbau von Wertschöpfung entlang der Batterie-Wirkkette am Stand-
ort Deutschland oder durch deutsche Unternehmen erreichbar ist. Empfohlen wurde
eine duale Strategie: Optimierung heutiger Lösungen und parallel dazu Forschung an
Folgegenerationen.
Elektrofahrzeuge jeder Art sind ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur emissi-
onsfreien Mobilität. Sie können „grünen Strom“ nämlich nicht nur verbrauchen, son-
dern auch selbst dazu beitragen, dass „grüner Strom“ überhaupt ins Netz eingespeist
werden kann, indem Regelenergie durch die Fahrzeugbatterie bereitgestellt wird. Im
mobilen Betrieb dienen sie demnach der Fortbewegung. Im stationären Betrieb –
bidirektional betrieben – können sie einen Teil der dringend benötigten Regelenergie für
das Energienetz bereitstellen.
Auch vollstationäre Lithium-Ionen-Batterien sind eine Schlüsselkomponente für den
erfolgreichen Umbau unseres Energienetzes. Es muss das vorrangige Ziel von Forschung
und Entwicklung sein, dass Deutschland führender Forschungsstandort für Elektro-
chemie wird und ebenso führend bei der Massenproduktion sicherer und bezahlbarer
Batteriesysteme.
Hier nun ein Handbuch vorliegen zu haben, welches nicht nur alle technischen
Aspekte von Lithium-Ionen-Batterien detailliert darstellt, sondern auch auf die ebenso
wichtigen Themen Produktion, Recycling, Normung sowie die elektrische und chemi-
sche Sicherheit eingeht, ist ein wichtiger Schritt auf dem herausfordernden, aber durch-
aus lohnenden Weg in ein neues Energiesystem.
Henning Kagermann
Industrie-Vorsitzender des Lenkungskreises der
Nationalen Plattform Elektromobilität
Autorenverzeichnis
Dr. Philipp Adelhelm Justus-Liebig-Universität Giessen, Heinrich-Buff-Ring 58, 35392
Gießen, Deutschland, e-mail: [email protected]
Matthias Baumann TÜV Rheinland LGA Products GmbH, Tillystraße 2, 90431 Nürn-
berg, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Ralf Bindel Robert Bosch GmbH [M], Wernerstraße 51, 70469 Stuttgart, Deutsch-
land, e-mail: [email protected]
Dr. Klaus Brandt Clariant Produkte (Deutschland) GmbH, Lenbachplatz 6, 80333
München, Deutschland, e-mail: [email protected]
Frank Dallinger Robert Bosch GmbH, Wernerstraße 51, 70469 Stuttgart, Deutschland,
e-mail: [email protected]
Dipl.-Ing. Christoph Deutskens Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen,
Steinbachstraße 19, 52056 Aachen, Deutschland, e-mail: [email protected]
Roland Dorn Texas Instruments Deutschland GmbH, Haggertystr. 1, 85356 Freising,
Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. rer. nat. Harry Döring ZSW, Helmholtzstraße 8, 89081 Ulm, Deutschland, e-mail:
[email protected]
Markus Eckel Tyco Electronics AMP GmbH, Ampèrestraße 12-14, 64625 Bensheim,
Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Frank Edler elbon GmbH, Freibadstraße 30, 81543 München, Deutschland, e-mail:
[email protected]
Hans-Joachim Faul Tyco Electronics AMP GmbH, Tempelhofer Weg 62, 12347 Berlin,
Deutschland, e-mail: [email protected]
Meike Fleischhammer ZSW, Lise-Meitner-Str. 24, 89081 Ulm, Deutschland, e-mail:
[email protected]
Dr. Christian Graf Chemische Fabrik Budenheim KG, Rheinstraße 27, 55257 Buden-
heim, Deutschland, e-mail: [email protected]; [email protected]
VII
VIII Autorenverzeichnis
Dr. Christoph Hartnig Rockwood Lithium GmbH, Trakehner Straße 3, 60487 Frank-
furt am Main, Deutschland, e-mail: [email protected]
Heiner Hans Heimes Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, Steinbach-
straße 19, 52056 Aachen, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr.-Ing. Claus-Rupert Hohenthanner Li-Tec Battery GmbH, Am Wiesengrund 7,
01917 Kamenz, Deutschland, e-mail: [email protected]
Prof. Dr. Jürgen Janek Justus-Liebig-Universität Giessen, Heinrich-Buff-Ring 58, 35392
Gießen, Deutschland, e-mail: [email protected]
Prof. Dr. Dr. h.c. Henning Kagermann acatech, Hofgartenstraße 2, 80539 München,
Deutschland, e-mail: [email protected]
Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen,
Steinbachstraße 19, 52056 Aachen, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Uwe Köhler Johnson Controls – Advanced Power Solutions GmbH, Am Leineufer
51, 30419 Hannover, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Reiner Korthauer ZVEI e. V., Lyoner Straße 9, 60528 Frankfurt am Main, Deutsch-
land, e-mail: [email protected]
Dr. rer. nat. Peter Kritzer Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG, 69465
Weinheim, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Peter Lamp BMW AG, 80788 München, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr.-Ing. Stephan Leuthner Robert Bosch Battery Systems GmbH, Kruppstraße 20,
70469 Stuttgart, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Jan Marien Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG, Postfach 14 53, 35664
Dillenburg, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Ludger Michels fortu PowerCell GmbH, Chempark Geb. F29 Nord, 41538 Dorma-
gen, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Kai-Christian Möller Projektgruppe Elektrochemische Speicher, Fraunhofer Ins-
titut für Chemische Technologie, Parkring 6, 85748 Garching, Deutschland, e-mail: kai-
[email protected]
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Karlheinz Müller Berufsbildungsausschuss, ZVEI – Zentralver-
band Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V., Im Lucken 9 a, 64673 Zwingenberg,
Deutschland, e-mail: [email protected]
Olaf Nahrwold Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG, 69465 Weinheim,
Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Oswin Öttinger SGL Carbon GmbH, Werner-von-Siemens-Straße 18, 86405
Meitingen, Deutschland, e-mail: [email protected]
Autorenverzeichnis IX
Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger Technologiezentrum Energie, Hochschule Landshut,
Am Lurzenhof 1, 84036 Landshut, Deutschland, e-mail: karl-heinz.pettinger@fh-lands-
hut.de
Dipl.-Ing. (Univ.) Simon Ramer LEONI Silitherm S.r.l., S.S 10 - Via Breda, 29010
Monticelli d’Ongina (PC), Italien, e-mail: [email protected]
Dr. rer. nat. Bernhard Riegel HOPPECKE Batterien GmbH & Co. KG, Bontkirchener
Straße 1, 59929 Brilon, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Michael Roth Freudenberg Forschungsdienste KG, Höhnerweg 2-4, 69465 Wein-
heim, Deutschland, e-mail: [email protected]
Heiko Sattler VDE-Prüf- und Zertifizierungsinstitut, Merianstr. 28, 63069 Offenbach,
Deutschland, e-mail: [email protected]
Peter Schmid Robert Bosch GmbH, Wernerstraße 51, 70469 Stuttgart, Deutschland,
e-mail: [email protected]
Dr. Michael Schmidt BASF SE, GCN/EE – M311, 67056 Ludwigshafen, Deutschland,
e-mail: [email protected]
Dipl.-Ing. Timo Schuff ITK Engineering AG, Im Speyerer Tal 6, 76761 Rülzheim,
Deutschland, e-mail: [email protected]
Reiner Schwartz STMicroelectronics Application GmbH, Bahnhofstr. 18, 85609 Asch-
heim-Dornach, Deutschland, e-mail: [email protected]
Christian Sesterheim Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, Steinbach-
straße 19, 52056 Aachen, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Rudolf Simon M W Germany GmbH, Lotterbergstraße 30, 70499 Stuttgart,
+
Deutschland, e-mail: [email protected]
Dipl.-Ing. Harald Stäb Seuffer GmbH & Co. KG, Bärental 26, 75365 Calw, Deutsch-
land, e-mail: [email protected]
Bjoern Steurich Infineon Technologies AG, Am Campeon 1-12, 85579 Neubiberg,
Deutschland, e-mail: [email protected]
Frank Treffer Umicore AG & Co. KG, Rodenbacher Chaussee 4, 63457 Hanau-Wolf-
gang, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dipl.-Ing. Michael Vogt SGS-TÜV GmbH, Hofmannstraße 51, 81379 München,
Deutschland, e-mail: [email protected]
Dipl.-Ing. Hermann von Schönau Schönau-Consulting, Hauptstraße 1 a (Schlosshof),
79739 Schwörstadt, Deutschland, e-mail: [email protected]
Dr. Kai Vuorilehto Universität Helsinki, Kemistintie 1, 02150 Espoo, Finnland,
e-mail: [email protected]