RES30-Akkutechnologien

Martin Hillenbrand

Frank Wunderlich-Pfeiffer

Shownotes

Hausmeisterei

Vorstellung: Frank Wunderlich-Pfeiffer

Freier Wissenschaftsjournalist, z.B. Bekannt durch seine Artikel bei golem.de

https://www.golem.de/specials/autor-frank-wunderlich-pfeiffer/

Früher eigener Podcast zum Thema Raumfahrt

Countdown Podcast

https://countdown.podigee.io/

z.B. Interessante Artikel zum Thema Wärmespeicher in Vulkan/Magmagestein

https://www.golem.de/news/energiespeicher-heisse-steine-sind-effizienter-als-brennstoffzellen-1906-142012.html

Artikel zu Druckluftspeicher

https://www.golem.de/news/energiespeicher-grosse-druckluftspeicher-locken-investorengelder-an-2201-162507.html

Vortrag auf dem 36c3 zum Thema Energiespeicherung

Vortrag 35c3 Vorher auch schon Vortrag zu Raumfahrt

34c3

Helium-3 save our ass

https://media.ccc.de/v/34c3-ffc-10-can_helium-3_save_our_ass/related

Anwendung von Kernkraft in der Raumfahrt

https://www.golem.de/news/fukushima-die-technik-tat-genau-was-sie-sollte-1803-133234.html

News

Russland Konflikt

https://en.wikipedia.org/wiki/The_Great_Illusion

Ukraine

-> Neon Gas aus der Ukraine https://venturebeat.com/2022/02/24/ukraine-supplies-90-percent-of-us-semiconductor-grade-neon-what-it-means-to-chip-supply-chain/

-> Produktion von Gallium aus der Ukraine

-> Mangan aus der Ukraine

-> Titan aus der Ukraine

-> Getreide

Russland

-> Oil&Gas aus Russland -> EU 40% des importierten Erdgases aus Russland

-> Antimon (größter)

-> Palladium (größter)

-> Diamanten

Deutsche Importe aus Russland

https://www.deutsche-rohstoffagentur.de/DERA/DE/Downloads/DERA%202022_cdm_02_Metallimporte%20aus%20Russland.pdf

Wir exportieren 30 Mrd Euro

Wir importieren 19 Mrd Euro

Davon 2,8 Mrd Euro Metall

600 Mio Euro PGM
595 Mio Euro Kathodenkupfer
circa 900 Mio Euro Eisenerz, Raffinadenickel, Aluminium- und Titanprodukte

Importe Deutschlands

ca 44 % Raffinadenickel

ca 41 % Titanstangen, -profile und -drähte

ca 20 % Rohaluminium und Kathodenkupfer

Außerdem:

Palladium, Nickel, Vanadium, Antimon oder Kobalt

https://www.deutsche-rohstoffagentur.de/DERA/DE/Downloads/DERA%202022_cdm_02_Metallimporte%20aus%20Russland.pdf

Aktuelle Situation Akku

Lithium Preis

https://www.golem.de/news/rohstoffe-lithiumkarbonat-fuer-ueber-50-euro-kg-gefaehrdet-akkupreise-2201-162773.html

Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP) in China >50%

Bestrebung eine Lithium-OPEC aufzubauen

https://www.golem.de/news/akkutechnik-wird-die-akkuindustrie-nach-2021-endlich-vernuenftig-2112-161997.html

https://www.golem.de/news/energiewende-rohstoffkosten-sorgen-fuer-umbruch-auf-dem-akkumarkt-2112-161471.html

Geschichte

60er Jahre – Ford usw.

Alkali Schwefel Batterien – Beta Alumina Keramik

Natrium-Schwefel Akkus

Stanley Whittingham

https://de.wikipedia.org/wiki/M._Stanley_Whittingham

-> Kathode: Li Ionen in Tantal und später Titan Sulfid Schichten einspeichern

-> Anode: Speicherung in Lithium Anode -> Bildung von Dendriten -> Kurzschlussgefahr / Explosion

John B. Goodenough

https://de.wikipedia.org/wiki/John_B._Goodenough

1980 ersetzte John B. Goodenough im nächsten Schritt auf dem Weg zur Lithium-Ionen-Batterie das Metallsulfid der Kathode durch ein Metalloxid und der Schritt zur kommerziellen Anwendungen gelang Akira Yoshino Mitte der 1980er Jahre in Japan, wobei Yoshino auch das zu reaktionsfreudige metallische Lithium der Anode durch kohlenstoffhaltiges Material ersetzte, in dem die Lithiumionen aufgenommen wurden.

Akira Yoshino

https://de.wikipedia.org/wiki/Akira_Yoshino

NMC 1:1:1 in der Regel 33% Nickel, 33% Mangan und 33% Kobalt

Später dann

NMC 8:1:1 in der Regel 80 % Nickel, 10 % Mangan und 10 % Kobalt

Die Zellen haben eine höhere Kapazität und ein geringeres Gewicht, was bedeutet, dass die Akkupacks mehr Energie speichern und eine größere Reichweite haben.

NMC 811 ähnliche Chemie – NCA, die durch Panasonic und Tesla bekannt wurde.

NCA-Kathoden bestehen in der Regel zu 80 % aus Ni und zu 15 % aus Co, sind aber mit Aluminium und nicht mit Mangan „dotiert“

NCA-Batterien haben ein geringeres kWh/kg-Verhältnis. Sie werden in billigen Autos und in den chinesischen Tesla-Autos verwendet, bieten aber eine geringere Fahrreichweite. Außerdem gibt es aufgrund des geringeren Wertes der beteiligten Elemente weniger Anreize, sie zu recyceln.

-> “Durchgehen” verhindern

z.B. nur eine Zelle die Durchgeht, aber andere davon entkoppelt

Großer Aufwand -> 500kg Akkupack, 200kg Kühlung und Isolation

LFP – Lithium Eisen Phosphat

1997 Goodenough

Temperaturanfällig -> Mag kälte nicht

Li, Fe, P, O, C

90% Energiemenge im Akku -> 500 kg Akkupack, 150 kg Kühlung und Isolation

2021:

64 US / 55 Euro pro kWh -> Circa das was Elon Musk bis 2025 erreichen wollte

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2021/ee/d1ee01530c

Nickel-Cadmium

Wasserstoff Ion von Nickel zu Cadmium

Nickel-Eisen Akku

Wasserstoff Ion von Eisen zu Cadmium

Luft-Eisen Akku

https://www.golem.de/news/form-energy-eisen-luft-akku-soll-energiespeicherprobleme-loesen-2107-158426-2.html

Zink-Luft Akkus

Natrium Akku Technologie

Lithium Verfügbarkeit

2 mio Tonnen LCE 2025 evtl erreichbar

3 mio Tonnen LCE 2030 evtl erreichbar

Natrium Verfügbarkeit

Natrium Carbonat

30 Mio t abgebaut

40 Mio t hergestellt

Natrium Hydroxid

70 Mio t

= 100 Mio Tonnen NA Verfügbarkeit

Kein Kupfer benötigt, da Alu einsetzbar

Kein Graphit sondern reiner Kohlenstoff

Preusisch Blau -> Kathoden Material

2011 erstes Mal demonstriert

Lithium Schwefel Akku

https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Schwefel-Akkumulator

Natrium Superconducter Akku

Enthält Vanadium

Relativ schnelle Aufnahme und Abgabe von Ionen

Wie funktioniert ein Akku?

Kathode

Anode

Separator

Ladungstrennung durch chemische Prozesse -> Speicherung “chemischer” Energie

Anwendungsgebiete – Bauweise vs Chemie

Bedeutung von Bleiakkus wird oft unterschätzt (über 400 GWh/Jahr. Erst 2021 wurden erstmals mehr Lithium-Ionen-Akkus gebaut!) https://batteryinnovation.org/resources/lead-battery-market-data/

Welche Akkus gibt es?

Li-Ion – Lithium-Ionen-Akkumulator (3,2–3,7 V Nennspannung/Zelle), Oberbegriff für verschiedene Lithium-Ionen-Akkumulatortypen:
- LiCoO2 – Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, (3,6 V /Zelle), erste verfügbare Technologie
  https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Cobalt(III)-oxid
- LiPo – Lithium-Polymer-Akkumulator (3,7 V Nennspannung/Zelle), (Bauform mit Polymer als Elektrolyt)
- Li-Mn – Lithium-Mangan-Akkumulator (3,6 V Nennspannung/Zelle)
- Li(NiCoMn)O2 – Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Akkumulator (3,6–3,7 V Nennspannung/Zelle)
- LiFePO4 – Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (3,3 V Nennspannung/Zelle)
  - LiFeYPO4 Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulator (Yttrium-Dotierung zur Verbesserung der Eigenschaften)
- LiTi – Lithiumtitanat-Akkumulator (2,4 V Nennspannung/Zelle)
- LMP – Lithium-Metall-Polymer-Akkumulator (Akkumulator-Technologie von DBM-technology, Berlin)
Lithium-Akkumulatoren mit metallischem Lithium, zählen nicht zu der größeren und bekannteren Gruppe der Ionen-Akkumulatoren:
- Lithium-Luft-Akkumulator (seit den 1970ern in Entwicklung)
- Lithium-Schwefel-Akkumulator (seit den 1960ern in Entwicklung)
Na/NiCl – Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur-Batterie (Markenbezeichnung: Zebra-Batterie ) (2,58 V Nennspannung/Zelle)
NaS – Natrium-Schwefel-Akkumulator, Hochtemperatur-Akku mit 2 V Zellspannung
Na-Ion – Natrium-Ionen-Akkumulator, (1,6–1,7 V Nennspannung/Zelle)
- https://www.golem.de/news/faradion-indischer-konzern-kauft-hersteller-von-natrium-ionen-akkus-2112-162110.html
NiCd – Nickel-Cadmium-Akkumulator (1,2 V Nennspannung/Zelle)
NiFe – Nickel-Eisen-Akkumulator (1,2–1,9 V Nennspannung/Zelle)
Eisen-Luft-Akku https://www.golem.de/news/form-energy-eisen-luft-akku-soll-energiespeicherprobleme-loesen-2107-158426.html
NiH2 – Nickel-Wasserstoff-Akkumulator (1,5 V Nennspannung/Zelle)
NiMH – Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (1,2 V Nennspannung/Zelle)
NiZn – Nickel-Zink-Akkumulator (1,65 V Nennspannung/Zelle)
Pb – Bleiakkumulator (2 V Nennspannung/Zelle)
PTMA – modifiziertes PTMA, genauer: 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinoxy-4-yl-methacrylat, ein umweltverträgliches organisches Polymer
RAM – Rechargeable Alkaline Manganese (1,5 V Nennspannung/Zelle)
SnC/Li2S – Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator
Silber-Zink-Akkumulator (1,5 V Nennspannung/Zelle) (-> Mond Rover!)
Vanadium-Redox-Akkumulator (1,41 V Nennspannung/Zelle bei 25 °C)
Zink-Brom-Akkumulator (1,76 V Nennspannung/Zelle)
Zink-Luft Akkumulator (in Entwicklung)
- https://www.golem.de/news/akkutechnik-diese-zink-luft-batterie-ist-mehr-als-eine-luftnummer-2202-162931.html
Silizium-Luft-Akkumulator (in Entwicklung)