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Über dieses Buch

Die Lithium-Ionen-Batterie wird zukünftig zwei großtechnische Anwendungen dominieren: Hybrid- und Elektrofahrzeuge im Bereich zukünftiger Mobilitätsstrategien und Zwischenspeicher elektrischer Energie im Umfeld der Dezentralisierung der Energieerzeugung.
Das vorliegende Fachbuch stellt das Speichersystem Lithium-Ionen-Batterien in all seinen Facetten vor. Nach einer Übersicht über die heute verfügbaren Speichersysteme werden die Komponenten einer Lithium-Ionen-Batterie - von den Anoden- und Kathodenmaterialien bis hin zu den notwendigen Dichtungen und Sensoren - ausführlich beschrieben; auch die Battery-Disconnect-Unit, das thermische Management und das Batterie-Management-System werden abgehandelt. Ein weiteres Kapitel behandelt die Fertigungsverfahren, die dazu notwendigen Anlagen und den Aufbau einer Fabrik zur Fertigung von Zelle und Batterie.
Die beiden großen Anwendungsbereiche der Lithium-Ionen-Batterie-Technologie, also der Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und die Nutzung als Zwischenspeicher, werden ebenfalls dargestellt, bevor im letzten Kapitel Querschnittsthemen wie Recycling, Transport, elektrische und chemische Sicherheit oder Normung diskutiert werden. Ein umfangreiches Glossar schließt das Buch ab.


Die Zielgruppe
Das Fachbuch wendet sich an alle Personen, die im Umfeld der Lithium-Ionen-Batterie tätig sind: Von Studierenden im Bereich der Energietechnik bis hin zum Geschäftsführer von Zulieferfirmen im Umfeld der Automobilindustrie.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Übersicht über die Speichersysteme/Batteriesysteme

Frontmatter

Kapitel 1. Übersicht über die Speichersysteme/Batteriesysteme

Elektrochemische Speichersysteme werden in Zukunft immer größere Bedeutung gewinnen, ob für die mobile Energieversorgung von immer anspruchsvoller und kleiner werdenden Mobiltelefonen oder Computern, von Elektrowerkzeugen und Elektroautos oder gar in noch größerer Dimension für die stationäre Speicherung von erneuerbaren Energien. Dieses Kapitel soll einen Überblick geben über die heute gebräuchlichsten elektrochemischen Speichersysteme. Zwei primäre, also im Allgemeinen nicht oder nur bedingt wiederaufladbare Systeme dienen der Einführung: am Beispiel der Anodenmaterialien Zink für die Verwendung in wässrigen und Lithium in nichtwässrigen Elektrolyten werden dabei u.a. die Probleme der Wiederaufladbarkeit angesprochen. Bei den wiederaufladbaren Systemen geht der Bogen vom Bleiakku über die Nickel- und Natrium-basierten Akkus bis zu einer kurzen Hinführung zu den Lithium-Ionen-Batterien. Zusammen mit den ebenfalls angesprochenen Redox-Flow-Batterien und Doppelschichtkondensatoren soll der Leser einen Überblick bekommen über die konkurrierenden und komplementären Technologien zur Lithium-Ionen-Technologie, die in den weiteren Kapiteln dieses Buches detailliert vorgestellt wird.

Kai-Christian Möller

Lithium-Ionen-Batterien

Frontmatter

Kapitel 2. Übersicht zu Lithium-Ionen-Batterien

Die Geschichte der Lithium-Ionen-Batterien hat 1962 ihren Anfang genommen. Es handelte sich zunächst um eine Batterie, die nach einmaliger Entladung nicht mehr aufgeladen werden konnte (Primärbatterie). Das Material der negativen Elektrode war Lithium, das Material der positiven Elektrode war Mangandioxid. Diese Batterie wurde 1972 durch das Unternehmen Sanyo auf den Markt gebracht. Die Firma Moli Energy entwickelte 1985 die erste wiederaufladbare Batterie (Sekundärbatterie) auf Basis von Lithium (negative Elektrode) und Molybdänsulfid (positive Elektrode); diese Bauart hatte jedoch Sicherheitsprobleme bedingt durch das Lithium auf der negativen Elektrode.

Stephan Leuthner

Kapitel 3. Materialien und Funktion

Lithium-Ionen-Akkus stellen High-Tech-Systeme aus komplexen hochreinen Chemikalien und einer Reihe weiterer Rohstoffe dar. Die folgenden Kapitel sollen ein umfassendes Bild von diesen Werkstoffen und deren jeweiligen Funktion vermitteln. Man sollte meinen, dass der Akku besonders leicht ist aufgrund der geringen Atommasse seiner Hauptkomponente, des Lithiums. Tatsächlich jedoch bestehen gerade einmal 2 % des Akkus aus Lithium, den Rest seiner Masse machen Elektrodenmaterialien, Elektrolyt und inaktive strukturelle Bestandteile aus.

Kai Vuorilehto

Kapitel 4. Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

In diesem Kapitel werden die gängigen Kathodenmaterialien für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien behandelt. Aus struktureller Sicht wird dabei zwischen schichtartigen Oxiden, Spinellen und Phosphaten unterschieden, die unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf die Anwendung als Kathodenmaterial aufweisen. Diese strukturellen und elektrochemischen Eigenschaften werden ausführlich diskutiert und abschließend unter Berücksichtigung der jeweiligen Vor- und Nachteile verglichen.

Christian Graf

Chapter 5. Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

Die Anode einer Lithium Ionen Batterie besteht in der Regel aus einer dünnen Kupferfolie als Stromableiter, welche beschichtet ist. Die Beschichtung besteht zum Großteil aus Aktivmaterial und wenigen Gewichtsprozenten an Binder und gegebenenfalls Leitfähigkeitsadditiven. Als Aktivmaterial wird in der Regel synthetischer Graphit oder Naturgraphit verwendet. Neben Graphit werden in sehr geringem Umfang amorphe Kohlenstoffe, Lithiumtitanat oder Silizium- bzw. Zinn-haltige Materialien eingesetzt.

Călin Wurm, Oswin Öttinger, Stephan Wittkämper, Robert Zauter, Kai Vuorilehto

Chapter 6. Elektrolyte und Leitsalze

„Die Chemie macht’s“. Heutige und insbesondere zukünftige hochleistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien sind ohne Fortschritte in der Materialentwicklung nicht denkbar. Der Chemie kommt dabei eine Schlüsselrolle zu. Sie ist gefordert, mit innovativen Materialkonzepten die Batterietechnologie hinsichtlich Energiedichte, Leistungsdichte und Lebensdauer weiter zu optimieren und so die Tür zur Elektromobilität und zur stationären Speicherung regenerativer Energien weit aufzustoßen.

Christoph Hartnig, Michael Schmidt

Kapitel 7. Separatoren

Batterieseparatoren sind flächige Materialien, die zwischen den positiv und negativ geladenen Elektroden einer Batteriezelle angeordnet sind, um einen physikalischen Kontakt und damit einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden. Gleichzeitig müssen sie einen möglichst freien Ionentransport innerhalb des Elektrolyten zwischen den Elektroden gewährleisten, so dass ein Ladungsausgleich stattfinden und eine elektrochemische Zelle funktionieren kann. Um dies zu ermöglichen, sind Separatoren in der Regel mit einem Elektrolyten gefüllte poröse Flächengebilde. Im Folgenden werden zunächst grundlegende Separatoreigenschaften erläutert und der aktuelle Stand der konventionellen Separatorentechnik beschrieben. Danach wird auf neue Separatorenkonzepte eingegangen und eine am Markt verfügbare Separatortechnologie mit ihren Eigenschaften vorgestellt.

Christoph J. Weber, Michael Roth

Kapitel 8. Aufbau von Lithium-Ionen-Batteriesystemen

Ziel des technischen Aufbaus eines Batteriesystems ist es, den effizienten, zuverlässigen und sicheren Betrieb des Energiespeichersystems über einen sehr langen Zeitraum im Fahrzeugeinsatz zu gewährleisten. Lithium-Ionen-Zellen als die Basiskomponenten eines Lithium-Ionen-Batteriesystems stellen an den Batteriebau dabei besondere Anforderungen. Das Batteriesystem besteht neben den elektrochemischen Speicherzellen aus einer Vielzahl mechanischer, elektrischer und elektronischer Komponenten, die in ihrer Funktion eng aufeinander abgestimmt sein müssen. Neben seiner Funktion als Überwachungs- und Steuerungseinheit für die Batterie übernimmt ein elektronisches Batteriemanagementsystem (BUS) auch die Kommunikation zur Fahrzeugseite.

Uwe Köhler

Kapitel 9. Lithium-Ionen-Zelle

Die Lithium-Ionen-Technologie ist aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sehr viele Geräte werden heute mit Lithium-Ionen-Zellen betrieben. In den folgenden Unterkapiteln werden Historie, Zell-Materialien, -Elektroden und -Designs, Marktübersicht, Anwendungen, Technologie, Anforderungen und zukünftige Trends besprochen.

Thomas Wöhrle

Kapitel 10. Dichtungs- und Elastomerkomponenten für Lithium-Batteriesysteme

An automobile Lithium-Batterien werden extrem hohe Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Lebensdauer gestellt. Dichtungskomponenten - sowohl auf Zell- als auch auf Systemebene - können erheblich dazu beitragen, diese Anforderungen zu lösen.

Peter Kritzer, Olaf Nahrwold

Kapitel 11. Sensorik/Messtechnik

Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher in Elektrofahrzeugen stellen nicht nur eine der zentralen technologischen Komponente dar, sie sind auch der größte Kostenfaktor.

Jan Marien, Harald Stäb

Chapter 12. Relais, Kontaktoren, Kabel und Steckverbinder

Das zuverlässige Schalten elektrischer Lasten in Automobilen wird seit jeher hauptsächlich durch elektromechanische Relais realisiert. Während die besonderen Betriebsbedingungen im Umfeld eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor bereits zu einem speziellen Anforderungsprofil für solche Relais führen, kommen beim Einsatz im elektrifizierten Antriebsstrang vollkommen neue Anforderungen auf diese Komponenten zu. Dabei spielt die in der Regel erheblich höhere Spannungslage eine entscheidende Rolle. Während sich in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor für die Systemspannung seit vielen Jahrzehnten ein Standard von 12 V bzw. 24 V etabliert hat, liegt diese bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen in der Regel bei einigen Hundert Volt. Im Nutzfahrzeugbereich werden sogar Spannungen bis an die Tausend Volt eingesetzt.

Hans-Joachim Faul, Simon Ramer, Markus Eckel

Kapitel 13. Thermisches Management der Batterie

Eine Lithium-Ionen-Batterie für mobile Anwendungen benötigt ein leistungsfähiges Thermomanagement, um die geforderte Lebensdauer von mehr als 10 Jahren sowie die volle Leistungsentfaltung und Verfügbarkeit unter allen Betriebs- und Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Das Thermomanagement umfasst dabei sowohl Kühlungs- als auch Heizungsaufgaben. Da sich hinter dem Begriff Lithium-Ionen-Batterie eine Vielzahl von Varianten verbergen, die sich in ihrer Zellchemie und ihrem Zellaufbau erheblich unterscheiden, muss das Thermomanagement stets den individuellen Ansprüchen der konkreten Variante angepasst sein. Ähnlich verhält es sich mit der Vielzahl von unterschiedlichsten Fahrzeugapplikationen, die vom kleinen Stadtwagen bis zum Sportwagen und von einem Fahrzeug mit einer milden Hybridisierung bis zum reinen Elektrofahrzeug reichen. Auch hier ergeben sich grundsätzlich unterschiedliche Anforderungen an das Thermomanagement der Antriebsbatterie. Eine wesentliche Rolle spielt ferner die Integration in die fahrzeugseitigen Thermokreisläufe. Die Fahrzeughersteller verfolgen hier teilweise völlig unterschiedliche Strategien.

Michael Günther Zeyen , Achim Wiebelt

Kapitel 14. Batteriemanagementsystem

Die primäre Aufgabe des Batteriemanagementsystems (BMS) ist es, die Einzelzellen einer Antriebsbatterie zu schützen und die Lebenszeit sowie die Zyklenanzahl zu erhöhen. Dies ist besonders wichtig für die Lithium-Ionen-Technologie, weil hier die Batterien vor Überladung und Übertemperatur zu schützen sind (Abb.

14.1

), um eine Zerstörung der Zelle zu vermeiden.

Roland Dorn, Reiner Schwartz, Bjoern Steurich

Kapitel 15. Software

Durch den Einsatz einer immer größeren Anzahl an Steuergeräten und deren zunehmende Vernetzung steigt die Komplexität der Elektronik in Kraftfahrzeugen kontinuierlich an. Gleichzeitig stehen die Hersteller vor der Herausforderung, Entwicklungszeiten zu verkürzen und Kosten zu senken. Eine zeit- und kosteneffiziente Software-Entwicklungsmethodik wird dadurch unabdingbar. Im speziellen Fall der Lithium-Ionen-Batterie befindet sich die Software auf verteilten Systemen und enthält zusätzlich sicherheitskritische Elemente, wodurch zusätzliche Prämissen entstehen.

Timo Schuff

Chapter 16. Zukunftstechnologien

Die Lithium/Schwefel- und die Lithium/Sauerstoff-Zelle gehören zu den wenigen elektrochemischen Speichern, die im Vergleich zu konventionellen Lithiumionenbatterien eine erheblich höhere Energiedichte versprechen. Eigenschaften und Herausforderungen dieser Zukunftstechnologien sind Gegenstand dieses Kapitels.

Jürgen Janek , Philipp Adelhelm

Batterieproduktion

Frontmatter

Chapter 17. Fertigungsprozesse von Lithium-Ionen-Zellen

Für den Aufbau einer Zellproduktion ist das Zelldesign oberstes Kriterium. Dieses bestimmt die Auslegung der Produktionsschritte und des Maschinenparks. Der Fertigungsprozeß für Li-Ionen-zellen wird mit Elektrodenhrstellung, diversen Methoden der Zellkörperassemblage, Pouch- und Metallgehäuse-Technologie, Elektrolybefüllung und Formierung dargestellt. Vor- und Nachteile von prismatischem und zylindrischem Zelldesign, des Zellkörperaufbaus mit Bicells oder beidseitig beschichteten Elektroden, sowie die Abwägung zwischen Pouch- oder starrem Metallgehäuse werden diskutiert.

Karl-Heinz Pettinger

Kapitel 18. Fertigungsverfahren von Lithium-Ionen-Zellen und -Batterien

Lithium-Ionen-Batterien für die elektromobile Anwendung setzen sich aus Batteriemodulen, die aus einer Vielzahl einzelner Batteriezellen bestehen, zusammen (Abb. 18.1). Der jeweilige Verwendungszweck bestimmt die Zahl der Batteriemodule, die gemeinsam mit einem Batterie-Management-System, einem Kühlsystem, dem Thermomanagement und der Leistungselektronik in einer Lithium-Ionen-Batterie installiert sind. In Batteriemodulen können verschiedene Zelltypen, wie die Rundzelle, die prismatische Hardcase-Zelle oder die Flachzelle (Coffeebag- oder Pouch-Zelle) verbaut sein (vgl. Kap. 9).

Achim Kampker, Claus-Rupert Hohenthanner, Christoph Deutskens, Heiner Hans Heimes, Christian Sesterheim

Kapitel 19. Aufbau einer Fabrik zur Zellfertigung

In diesem Kapitel wird der Gesamtaufbau einer Batteriefabrik beschrieben. Ausgehend vom Fertigungsprozess und den Fertigungsanlagen wird die erforderliche Fertigungsumgebung (Reinraum, Trockenraum), die Versorgung und Entsorgung der notwendigen Medien und das Gebäude entwickelt. Es folgt eine Übersicht der Fertigungslogistik und der Flächenbelegung mit den erforderlichen Sicherheits- und Zugangsbereichen. Abschließend wird ein Ausblick über Entwicklungspotenziale und zukünftige Herausforderungen skizziert.

Rudolf Simon

Kapitel 20. Prüfverfahren in der Fertigung

Die Prozesse zur Herstellung von Lithium-Zellen weisen trotz Weiterentwicklungen in der Produktionstechnologie stets eine hohe Fertigungstiefe auf. Entscheidend für die Gesamtausbeute im Prozeß ist die Kontrolle der Produkte nach den Fertigugnsschritten. Es werden Prüfmethoden zur Kontrolle der Beschichtung, der Zellassemblage und der elektrischen Parameter, sowie die Prüflagerung beschrieben.

Karl-Heinz Pettinger

Querschnittsthemen

Frontmatter

Kapitel 21. Randbereiche in Entwicklung, Fertigung und Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Die Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie ist ein umfangreicher technischer Prozess mit einer Vielzahl von Schritten, die optimal ineinandergreifen müssen. Eine perfekte Zelle kann, muss aber nicht zu der für den jeweiligen Anwendungsfall am besten geeigneten Batterie führen. Schon bei der Auslegung der Zelle ist der spezifische Anwendungsfall zu berücksichtigen. Alle Herstellungsschritte bedürfen eines hohen Maßes an Sorgfalt, die nur unter Anwendung modernster, sicherer Produktionsverfahren erreicht wird.

Reiner Korthauer

Kapitel 22. Arbeitssicherheit bei Entwicklung und Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien

Der Beitrag zeigt auf, welche Aspekte der Arbeitssicherheit in den verschiedenen Lebenszyklusphasen von Lithium-Ionen-Batterien beachtet werden sollten. Bei den verantwortlichen Unternehmen sind spezifische Aktivitäten notwendig, da sich sowohl Gefährdungspotentiale, als auch der Kenntnisstand des ausführenden Personals bezüglich der Eigenheiten von Batterien und Batteriesystemen unterscheiden. Der Artikel kann als Orientierungshilfe dienen, um zusätzliche Arbeitsschutzmaßnahmen zu identifizieren, wenn neue Arbeitsfelder durch Batteriethemen im Unternehmen entstehen. Der arbeitsschutzrechtliche Bedarf bei der Einführung oder Ausweitung von batteriebezogenen Arbeiten wird immer unternehmensspezifisch ausfallen. in der Regel ist dies eine interdisziplinäre Aufgabe.

Frank Edler

Kapitel 23. Chemische Sicherheit

Im Gegensatz zu den klassischen Batterien (Blei-Säure-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-Batterien) sind per Definition für heute übliche Lithium-Batterien außer der Lade- und Entladereaktion keine Nebenreaktionen erlaubt. Nebenreaktionen in den klassischen Batterien erlauben z. B. eine Überladung in Form von Gasung (Elektrolytzersetzung), die in den geschlossenen Systemen in Form des Sauerstoffkreislaus zur Erwärmung aber nicht zur Zerstörung des Systems führen. In Lithium-Batterien führt die Überladung ebenfalls zur Elektrolytzersetzung; hier ist dieser Prozess aber unumkehrbar und wirkt zerstörerisch.

Meike Fleischhammer, Harry Döring

Chapter 24. Elektrische Sicherheit

Durch die fortschreitende Entwicklung in den unterschiedlichen Einsatzmärkten für Speicherbatterien, die auf der einen Seite durch den Wunsch nach einer erweiterten Energieversorgung aus erneuerbaren Energien getrieben wird und auf der anderen Seite aus der Notwendigkeit, von fossilen Brennstoffen für die Mobilität unabhängig zu werden, wird der Bedarf an Energiespeichern mit hoher Energiedichte immer größer.

Heiko Sattler

Chapter 25. Funktionale Sicherheit von Fahrzeugen

Die Anzahl elektronischer Systeme im Fahrzeuge hat sich gerade in den letzten 10 Jahren extrem erhöht. Hatte ein Fahrzeug in den 80er Jahren meist noch nicht einmal einen Airbag, geschweige denn ein System zur Sicherstellung der Fahrstabilität (ESP), so bekommen heutzutage hochkomplexe elektronische Sicherheitssysteme eine immer größere Verbreitung. Gerade sicherheitsrelevante Systeme, wie ABS, ESP oder eine aktive Lenkung, haben zu einer nachweislichen Reduzierung von Verkehrstoten und -verletzten geführt.

Michael Vogt

Kapitel 26. Funktions- und Sicherheitstests an Lithium-Ionen-Batterien

Funktions- und Sicherheitstest sind für Lithium-Ionen-Batterien in großtechnischen Anwendungen unabdingbar. Der Aufbau dieser Batterien ist in der Abb.

3.2

dargestellt. Die Batterie besteht aus den einzelnen Zellen, die zu Modulen verschaltet sind. In der Batterie selbst sind wiederum mehrere Module zusammen geschaltet. Des Weiteren existiert ein Kühlkreislauf. Ein Entlüftungssystem dient zur Gasabführung beim Ausgasen einer Zelle.

Frank Dallinger, Peter Schmid, Ralf Bindel

Chapter 27. Transport von Lithium- und Lithium-Ionen-Batterien

Seit der Markteinführung von Lithiumbatterien in den 70er Jahen, die in der Regel für spezielle Anwendungen in relativ geringen Stückzahlen benötigt wurden, werden mittlerweile jährlich Milliarden von wiederaufladbaren Gerätebatterien und Batterien die auf dem Lithiumsystem basieren transportiert.

Ludger Michels

Kapitel 28. Lithium-Ionen-Batterie-Recycling

Mit Beginn der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts wurden nach einer langen Pause Forschungsarbeiten an Elektrofahrzeugen mit Batterien als Energiespeicher erneut aufgegriffen. Ein wesentlicher Schwerpunkt ist die Entwicklung von kostengünstigen Batterien mit hoher Leistungs- und Energiedichte. Mit der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterien, die derzeit auf dem Elektronikmarkt in vielen Anwendungsbereichen (z. B. Laptops) dominieren, gibt es einen Batterietyp, der schon heute im Fahrzeugbereich eine akzeptable Reichweite von bis zu 250 km mit einem „noch akzeptablen“ Batteriegewicht von rund 300 kg erreichen kann. Intensive Forschungsarbeiten zur weiteren Optimierung dieser Antriebstechnik werden von privater und öffentlicher Seite schon seit einigen Jahren forciert.

Frank Treffer

Chapter 29. Aus- und Fortbildung von Fachkräften für die Herstellung von Batteriesystemen

Moderne Qualifizierungskonzepte ermöglichen es den Betrieben, in der großseriellen Batterieproduktion dynamisch auf technische Anforderungen zu reagieren und ihre Nachwuchskräfte frühzeitig mit den neuesten betrieblichen Abläufen vertraut zu machen. Auch können sie damit ihre bereits erfahrenen Fachkräfte potential- und interessenorientiert im Rahmen einer betriebsspezifischen, prozessintegrierten Fort- und Weiterbildung für die neuen Techniken, die veränderten Prozesse und Aufgaben fit machen.

Karlheinz Müller

Kapitel 30. Normung für die Sicherheit und Performance von Lithium-Ionen-Batterien

Normen bilden heute die Basis nahezu aller Entwicklungen des technischen Lebens. Sie bilden die Grundlage für Unternehmen, in nationale und internationale Märkte vorzudringen und dabei rechtlich abgesichert zu sein. In unserer Gesellschaft stellen Normen Vertrauen und Sicherheit dar und bündeln die Ressourcen der Entwickler, um zielgerichtet sichere und handhabbare Produkte zu entwickeln.

Hermann von Schönau, Matthias Baumann

Batterieanwendungen

Frontmatter

Kapitel 31. Einsatzfelder für Lithium-Ionen-Batterien

Die Abhängigkeit der Versorgung des stets wachsenden Energiebedarfs der Weltbevölkerung von fossilen Energieträgern wird zu einer Verknappung derselben führen und zu möglichen Veränderungen des Klimas beitragen. Es wird allgemein anerkannt, dass die Energieerzeugung immer stärker durch erneuerbare Quellen abgedeckt werden muss. Dieser Trend wird durch das rapide Wirtschaftswachstum der sogenannten Schwellenländer sowie den geplanten Ausstieg einiger Industriestaaten aus der Atomenergieerzeugung noch beschleunigt. Die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Solar- und Windenergie führt letztendlich zu der Notwendigkeit, die so erzeugte elektrische Energie zwischenzuspeichern, um die zeitliche Verschiebung zwischen Energieerzeugung und Bedarf auszugleichen. Batterien bis in den MWh-Bereich können einen Teil der benötigten Speicherkapazitäten schaffen. Andere Systeme wie Pumpspeicherkraftwerke oder Druckluftspeicher existieren bereits, können aber nur beschränkt ausgebaut werden, da sie an gewisse geographische Gegebenheiten gebunden sind. Im Bereich der stationären Batteriesysteme sind noch andere elektrochemische Speicher wie Hochtemperaturbatterien und Redox-Flow-Systeme in der Anwendung bzw. Entwicklung.

Klaus Brandt

Chapter 32. Anforderungen an Batterien für die Elektromobilität

Die Mobilität der Zukunft verlangt neue Konzepte, die eine Balance zwischen den individuellen Bedürfnissen nach Mobilität und der nachhaltigen Nutzung von Ressourcen sowie Schonung der Umwelt herstellt. Der Klimawandel und die Begrenztheit fossiler Energieträger erfordern in gleichem Maße eine Verstärkung der Anstrengungen, CO

2

-Emissionen zu senken. Die Elektrifizierung des Antriebsstranges von Hybrid-Fahrzeugen über Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen hin zu reinen Elektrofahrzeugen ist der aus heutiger Sicht technisch sinnvolle und in Gesellschaft, Politik und Industrie akzeptierte Weg dorthin. Der aktuelle Stand der verfügbaren Batterietechnologie und notwendige zukünftige Entwichlungen werden in diesem Kapitel diskutiert.

Peter Lamp

Kapitel 33. Anforderungen an Batterien für den stationären Einsatz

Die Förderung und Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung und die Einführung bzw. Umsetzung von Klimaschutzinstrumenten sind mit maßgeblichen strukturellen Änderungen in der öffentlichen Stromversorgung verbunden. Zunehmend müssen dezentrale Energiewandlungsanlagen (z. B. Photovoltaik, Windkraft) in die bestehenden elektrischen Verteilungsnetze eingebunden werden. Darüber hinaus stellt die Wechselwirkung der bestehenden Anlagen mit den neu einzubindenden dezentralen Erzeuger- und Speichereinheiten eine große Herausforderung an die Planung und Betriebsführung der Verteilungsnetze dar. Da ein hoher Anteil an fluktuierenden dezentralen Energieerzeugern zu steuern ist, wird stationären Energiespeichern bzw. Energiespeichersystemen in den kommenden Jahren eine bedeutende Rolle beigemessen. Elektrochemische Speicher – aus Zellen bzw. Batterien bestehend – werden in diesem Rahmen eine wichtige Säule bilden.

Bernhard Riegel

Backmatter

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