(BAYERISCHE?) ZUKUNFTSKONZEPTE FÜR INDUSTRIELLE BATTERIESPEICHER - Zukunftsmobil - Transformation der Automobilbranche Prof. Dr. Gerhard Sextl ...
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(BAYERISCHE?) ZUKUNFTSKONZEPTE FÜR INDUSTRIELLE BATTERIESPEICHER Zukunftsmobil – Transformation der Automobilbranche Prof. Dr. Gerhard Sextl, 10. November 2016 © Fraunhofer
Agenda
Motivation: Vorwärtsintegration in Elektrofahrzeugen
Status Quo Zelltechnologie und -produktion, weltweit
Batterie- vs. Zellproduktion
Standort Bayern für eine Zellproduktion (?)
Festkörperbatterien (SSLBs) als Chance
Aufbau einer Festkörperbatterie (SSLB)
Kurzvorstellung FuE Zentrum Elektromobilität Bayern
© FraunhoferVeränderungen im Fahrzeugbau bis 2030 (ELAB-Studie)
Traditionelle verbrennungsmotor-angetriebene Systeme entfallen
Neue emissionsfreie Systeme lösen heutige Fahrzeuge ab
© FraunhoferGefahr: Disruptive Veränderung der Automobilbranche
Vorwärtsintegration außerhalb Deutschlands/Bayerns
PKW: Hybrid/E-Mobil PKW: Hybrid/E-Mobil
OEM/Produkt: DE u.a. OEM/Produkt: USA, Asien
System: DE u.a. System: USA, Asien
Zelle: Asien Zelle: USA, Asien
IT/ Computer Neue OEMs mit Batteriepartnern:
Tesla, Google, Apple
OEM/Produkt: USA, Asien
Etablierte OEMs: Toyota, Big3 u.a.
System: USA, Asien Zellproduzenten drängen in Systeme:
Samsung kauft Sparte von Magna Steyr
Zelle: Asien SONY will PKW-Hersteller werden
Starke Bedeutung von IT sowie elektrischer Antriebstechnik
Zunehmende Abhängigkeit deutscher PKW-OEM und Zulieferer von
IT-, Zell- und Batterie-Systemen für Fahrzeuge insbes. aus Asien/USA.
© FraunhoferStatus Quo -
Weltweite Zellproduktion
Europa
Tesla Gigafactory (5 GWh/a) Japan, Korea,
(35 GWh/a, im Bau) China (21 GWh/a)
Gesamtkapazität an großformatigen Zellen: 27,2 GWh/a1,2
Zum Vergleich: Produktionskapazität Tesla Gigafactory: 35 GWh/a
Japan (26 %), Südkorea (24 %), China und USA (22 %), Europa (< 5 %)
Auslastung der Produktionskapazitäten spätestens ab 2020
Status Quo:
1. Der Markt wird heute von Japan und Korea dominiert.
1 T. Weber, et al., Roadmap integrierte Zell- und Batterieproduktion Deutschland.
© Fraunhofer AG 2 – Batterietechnologie, Berlin, 2016.
2 C. Pillot, Battery Market Development for Consumer Electronics, Automotive, and Industrial:
Materials Requirements and Trends, Herzelia, Israel, 2015.Status Quo - Zellproduktionen in Europa Pressemeldung KW 42: Daimler investiert 500 Mio.€ in Kamenz / Sachsen zum Aufbau einer Batterieproduktion. „Genf/Kamenz - Der Autoriese Daimler will seine Batterieproduktion weiter ausbauen. "Wir investieren deshalb 500 Millionen Euro in den Bau einer zweiten Batteriefabrik in Deutschland", sagte Chef Dieter Zetsche (62) auf dem Autosalon in Genf. Die Kapazitäten in Kamenz würden so deutlich erweitert. Der Bau soll im Herbst 2016 starten. Das an die bestehende Produktion angrenzende Werk soll im Sommer 2017 den Betrieb aufnehmen. Seine Meinung zu einer Zellfertigung in Deutschland hat Zetsche allerdings nicht ge- ändert. Daimler hatte Ende 2015 seine Zellfertigung in Kamenz wegen der hohen Überkapazitäten am Markt eingestellt. Mit den Zellen lässt sich kein Geld verdienen, deshalb kaufen die deutschen Autoher- steller diese Bauteile ein. Die kompletten Batterien hingegen wollen sie nicht aus der Hand geben. Arbeitnehmervertreter, darunter auch Daimler-Betriebsratschef Michael Brecht, sind dagegen schon länger Fürsprecher einer gemeinsamen Zellproduktion der Auto- industrie in Deutschland.“ © Fraunhofer
Status Quo
Zelltechnologien1
Heutige Zellkonzepte
Status Quo
1. Der Markt wird heute von Japan und Korea dominiert.
2. Zellchemie Generation 3a, Cobalt-Oxid und Graphit-Elektroden.
1 T. Weber, et al., Roadmap integrierte Zell- und Batterieproduktion Deutschland.
© Fraunhofer
AG 2 – Batterietechnologie, Berlin, 2016.Status Quo - Zellproduktionen in Europa Pressemeldung KW 42: Daimler investiert 500 Mio.€ in Kamenz / Sachsen zum Aufbau einer Batterieproduktion. „Genf/Kamenz - Der Autoriese Daimler will seine Batterieproduktion weiter ausbauen. "Wir investieren deshalb 500 Millionen Euro in den Bau einer zweiten Batteriefabrik in Deutschland", sagte Chef Dieter Zetsche (62) am Dienstag auf dem Autosalon in Genf. Die Kapazitäten in Kamenz würden so deutlich erweitert. Der Bau soll im Herbst 2016 starten. Das an die bestehende Produktion angrenzende Werk soll im Sommer 2017 den Betrieb aufnehmen. Seine Meinung zu einer Zellfertigung in Deutschland hat Zetsche allerdings nicht ge- ändert. Daimler hatte Ende 2015 seine Zellfertigung in Kamenz wegen der hohen Überkapazitäten am Markt eingestellt. Mit den Zellen lässt sich kein Geld verdienen, deshalb kaufen die deutschen Autoher- steller diese Bauteile ein. Die kompletten Batterien hingegen wollen sie nicht aus der Hand geben. Arbeitnehmervertreter, darunter auch Daimler-Betriebsratschef Michael Brecht, sind dagegen schon länger Fürsprecher einer gemeinsamen Zellproduktion der Auto- industrie in Deutschland.“ © Fraunhofer
31. Oktober 2016: Porsche-Betriebsrat Uwe Hück pocht auf deutsche (Batterie)-Zellen-Produktion dpa Stuttgart: „Sollten sich die deutschen Autobauer nicht zu einer heimischen Produktion entschließen und stattdessen Zellen aus Asien beziehen, drohen Einbußen bei der Wettbewerbsfähigkeit und ein massiver Arbeitsplatzverlust. Dann würden wir einen sozialen Aufstand bekommen.“ „Daher müssten die Autobauer schnell handeln und sich für eine Gemein- schaftsproduktion hierzulande entscheiden.“ … „Eine deutsche Batteriezellenfertigung ist kein Wunschdenken – wir müssen die Arbeitgeber überzeugen, dass sie hier gemacht werden muss …“ „Deutschlands Autobauer dürfen sich hierbei nicht abhängig machen von Asien …“ © Fraunhofer
Status Quo -
Zellproduktionen in Europa
Macht eine Zellfertigung in Deutschland/Europa überhaupt Sinn?
Ja, um sich von Zellproduzenten außerhalb Europas nicht abhängig zu
machen (heute Zelle morgen System übermorgen Automobile).
Ja, wenn neue Generation von Zellen mit verbesserten Eigenschaften und
vereinfachter Produktionstechnologie sofort entwickelt und in abseh-
barer Zeit produziert wird.
Ja, wenn auf Basis dieser Zellen eigenständige Systeme mit sehr guter
Performance, Lebensdauer, Zuverlässigkeit bei marktgerechten Kosten
entwickelt und produziert werden können.
Ja, wenn die Automobilhersteller in Deutschland weiterhin ihre weltweit
herausragende Position behalten wollen.
© FraunhoferStatus Quo
Zelltechnologien1
Status Quo
1. Der Markt wird heute von Japan und Korea dominiert.
2. Chance für Europa: Zelltechnologie Gen 4 SSLB (disruptive Änderung)
1 T. Weber, et al., Roadmap integrierte Zell- und Batterieproduktion Deutschland.
© Fraunhofer
AG 2 – Batterietechnologie, Berlin, 2016.Chance: Disruptive Änderung der Zelltechnologie
Festkörperbatterien der Generation 4
Festkörperbatterie der nächsten
Generation
250 km
Produktionsnah, automatisiert
Hohe Zuverlässigkeit
Heutige Li-Ionen
Technologie Intrinsische Sicherheit
Doppelte Energiedichte
Verkürzte Ladezeiten
Vision:
500 km 750 km
Festkörper-Li-Ionen
Technologie
© FraunhoferUm was geht es?
Aufbau Festkörperzelle – Solid State Lithium Battery
Aufbau grundsätzlich ähnlich
zu Zellen der Generation 3
- + Unterschiede in Zellchemie
ggü. Generation 3
Lithium-Metall-Anode
Festelektrolyt
Festelektrolyt
(anorganisch & organisch)
Stromableiter
Stromableiter
Kathode
Kathode vollkeramisch
Anode
(Lithium) (LiMeO2) Neue Verfahren bei Elektroden-
fertigung und Zellassemblierung
Li-Metall-Verarbeitung
keramische Separatoren
Vakuumtechnologie
Automatisierung möglich
© FraunhoferDer Standort Deutschland
im Allgemeinen …
… und Bayern im Speziellen
Zellproduktion in regionaler Nähe
zu Automobilherstellern
Nordbayern: gute Anbindung
zu Automobilbauern in Bayern,
Baden-Württemberg und Sachsen
Starke F&E-Landschaft
Maschinenbau deckt Wert-
schöpfungskette vollständig ab
Hohes Lohnniveau und hohe
Energiekosten
FUCHS, Martina (2011): Automobilindustrie in Deutschland.
© Fraunhofer In: Nationalatlas aktuell 5 (12.2011) 12 [21.12.2011].
Leipzig: Leibniz‐Institut für Länderkunde (IfL).Wertschöpfungskette Festkörperbatterie in Bayern
Zugesagte Beteiligungen
Fraunhofer
Future
(In Bayern: Bühler Audi
Carbon
Fraunhofer Kerafol BMW ???
ISC und Schott (?) Standort
Fraunhofer PolyIC Bosch in Bayern
SGL
IISB)
Schaeffler KUKA
Wacker
TU München
F&E Material Verfahren Zelle Zell-Pro-
(Prototyp) duktion
Zellfertigung: hohe Relevanz für (bayerische) Automobilindustrie
Firmen in Bayern können (fast) gesamte Wertschöpfungskette abdecken
© FraunhoferBatteriespeichertechnologie in Bayern
Projektübersicht
Phase 3 2024 Finanzierungsplan
Produktionstechnologie Jahr Beteili- Beteili- ∑ LOI
gung gung
StMWi Industrie
Phase 2 Zelle 2022
2017 0,9 0,1 3
2018 0,8 0,2 5
Phase 1 2017 2019 0,8 0,2 5
Material 2020 0,7 0,3 -
2021 0,5 0,5 -
2022 0,3 0,7 -
2023 0 1 -
2024 0 1 -
Phase P1: Anode 1 Si-Anode
2 Li-Anode
Phase P1: Elektrolyt: Li-leitende Membran (anorg. oder org. Binder)
Phase P1: Kathode Nanopartikel-Route
Phase P2: Entwicklung Zellkonzept und Testung
© FraunhoferBatteriespeichertechnologie in Bayern
Projektübersicht (Plan)
Phase 3 Produktionstechnologie 2024
Projekt Zellstapel & Verfahrensentwicklung
Q1/2021 – Q2/2024
Phase 2 Zellentwicklung 2022
Projekt Kathoden/
Projekt Einzelzelle
Elektrolyt-Verbund
Q1/2020 – Q4/2022
Q1/2019 – Q4/2020
Phase 1 Materialentwicklung 2020
Projekt Subkomponente &Grenzfläche Q2/2017 – Q1/2020
Projekt Si- Projekt Fest- Projekt Li- Projekt
Anode elektrolyt Anode Kathode
Q1/2017 – Q2/2017 – Q3/2017 – Q3/2017 –
Q4/2019 Q1/2020 Q2/2020 Q2/2020
© FraunhoferBronnbach
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC (Würzburg) mit
Fraunhofer-Zentrum HTL (Bayreuth) und
Fraunhofer-Projektgruppe IWKS (Alzenau/Hanau)
Würzburg Bayreuth
Alzenau / Hanau
© FraunhoferBayerisches F&E-Zentrum Elektromobilität am Fraunhofer ISC
Gefördert durch
Bayerisches Staatsministerium für
Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie
© FraunhoferFuE Zentrum Elektromobilität Bayern
Batterieexperten seit 1989
Lithium-Ionen- Blei-Säure- Elektrochrome Analysen Verfahrens-
Technologie Technologie Systeme Elektrochem. Entwicklung
Kern-Schale- Blei-Kohlenstoff- Organische & an- Testmethoden Festkörperbatt.-
Partikel Elektroden organ. Schichten Kontrollierte Konzepte
polymere & kera- Aktivmaterial- Verfahrensent- Zellalterung
Halbautomati-
misch. Elektrolyte Entwicklung wicklung Fehlerursachen- sche Elektroden
Bindermaterial. Laborzellenfertig. Large scale Klärung & Zellfertigung
Kosteneffiziente Tests & Post- Kosteneffizienz Post-Mortem
Synthesen Mortem-Analyse Interfaces
35 Mitarbeitende
11 Doktoranden
3,5 Mio. € Jahresbudget
Nationale und internationale Kooperationen mit Batterieherstellern, Chemieunternehmen
und zahlreichen OEMs
© FraunhoferLi-Ionen-Zellfertigung
Zellmanufaktur
Herstellung verschiedener Zelltypen und -geometrien
Von Knopf- (CR2032) bis Folienzellen (140 x 230 mm2)
Entwicklung eigener und Verarbeitung kundenspezifischer Materialien
© Fraunhofer
© FraunhoferFestkörperbatterien der nächsten Generation
Beispiel: Verfahrenstechnik
Material-und Verfahrensentwicklung
Dünn- und Dickfilmkathoden
Lithium-Anoden
Keramische Elektrolyte
Zelldesign
© Fraunhofer
© Fraunhofer ISCFestkörperbatterien der nächsten Generation
Beispiel: Herstellung vollkeramischer Kathoden
Synergie zu Dünnschichttechnologien
Nasschemische Beschichtung > 10 µm
Nanopartikel-Synthese und Beschichtungsprozess
Assemblierung transparenter Festkörperbatterien
Elektrochromes
Fenster
Oberflächen-
TiO2-Nanopartikel modifizierung
Mesoporöse
TiO2-Schicht
© FraunhoferBatterierecycling: Neuartige selektive Separationsmethode
Elektrohydraulische Zerkleinerung
Funkenentladung bei Spannungen von 20 bis 50 kV
erzeugen in Wasser / Öl Schockwellen
Schockwellen trennen das Material an den
schwächsten Stellen, vor allem Phasengrenzen
Verbundwerkstoffe wie Elektroschrott, Solarzellen,
Batteriezellen, Schlacken und vieles mehr Prototyp im Tech-
nikumsmaßstab
Elektroden Reaktorgefäß
Funkenentladung
Shockwellen Aktivmaterial-
Medium
Material
Rückgewinnung
(z.B. Wasser)
möglich
Fragmente
Lithium-Ionen
Akkus
© FraunhoferFazit
Wir haben in Deutschland (und speziell in Bayern) alle Kompetenzen, die
Entwicklungskapazitäten und auch die Verfahrens-, Prozess- und Automatisie-
rungstechnik, um eine "NEXT-GENERATION"-ZELLPRODUKTION mittelfristig zu
realisieren.
Volkswirtschaftlich ist dieser Schritt unbedingt sinnvoll,
betriebswirtschaftlich kann eine neue Zellproduktion nur bestehen, wenn die
Produktionstechnologie wettbewerbsfähig ist und die Produktionstechnologie
nicht sofort weltweit vermarktet wird (Negativ-Beispiel: Photovoltaik).
Produktionsanlagen für Zellen heutiger Technologie werden derzeit in Asien,
in den USA und z.T. in Europa aufgebaut. Diese können bis zur Inbetriebnahme
von eigenen Fertigungskapazitäten zur Batterieproduktion genutzt werden.
Da OEMs in Europa bisher über keine eigenen Zellproduktionsanlagen in nen-
nenswertem Umfang verfügen, müssen diese auch nicht ausgelastet werden.
Einer Investition in neue Anlagen stehen sie damit auch nicht im Wege.
Für Bayern: Chance, um zu den Marktführern aufzuschließen.
© FraunhoferBesten Dank Prof. Dr. Gerhard Sextl Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC Neunerplatz 2, 97082 Würzburg gerhard.sextl@isc.fraunhofer.de Tel: +49 931 4100 100 www.isc.fraunhofer.de Seite 26 © Fraunhofer © A. Schollenberger für Fraunhofer ISC
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