LTO und LSP - die Lithiumspeicher der nahen Zukunft?

[PowerTower]

Hallo zusammen,

da ich finde, dass es die letzten zwei Jahre recht ruhig geworden ist um unser geliebtes Antriebsgold, möchte ich gern mit euch eine kleine Diskussionsrunde um die nächsten Entwicklungsstufen rund um Lithium führen. Denn ich denke, auf absehbare Zeit wird es keine Alternative geben. Zwar ist mir ein Patent in die Hände gefallen, welches einer Hochtemperatur NaNiCl Batterie ermöglichen soll, statt mit 300°C mit gerade mal 60°C zu funktionieren und damit bedeutend weniger Heizleistung zu benötigen, aber dieses Patent ist von 2005 und seitdem ist nichts neues mehr bekannt geworden. Schade eigentlich, denn ich halte große Stücke auf die ZEBRA Technik. Inwieweit die Firma Der Link wurde entfernt (404). an so einer Technik arbeitet, ist mir nicht bekannt, aber soweit ich weiß ist das der einzige Hersteller, der sich um dieses Produkt kümmert.

Nach diversen Berichten, Expertenmeinungen und Ergebnissen aus dem Labor, bin ich der Meinung, dass die "nächste Evolutionsstufe" zweigleisig fährt.

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Auf der einen Seite wäre da Lithium-Sulfat (LSP) zu nennen, welches schon seit zwei Jahren als angeblich fertiges Produkt auf der Der Link wurde entfernt (404). sein Unwesen treibt. Doch diese Diskussion gab es damals schon, die Zellen sind nicht lieferbar und befinden sich wohl immer noch im Labor.

Die technischen Daten:

Ladeschlussspannung: 2,3 Volt
Entladeschlussspannung: 1,0 Volt
Leerlaufspannung: ca. 1,7-1,8 Volt
Energiedichte: ca. 190 Wh/kg
maximale Dauerbelastung laden / entladen: 3C
Zyklenfestigkeit: >1.000 Zyklen (100% DOD), >2.000 Zyklen (70% DOD)
Temperaturbereich für Ladung und Entladung: -35°C bis +85°C
Eigensicherheit: unbekannt

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Auf der anderen Seite gibt es Optimierungen der bisherigen Lithiumzellen mit einer Lithium-Titanat-Anode (LTO). Lithium-Titanat soll gegenüber dem für gewöhnlich verwendeten Graphitanoden eine deutlich größere Oberfläche aufweisen und damit die Ladung deutlich schneller aufnehmen und abgeben können. Das heißt die Zellen können deutlich höher belastet werden, ohne mit der Spannung einzubrechen oder Zyklen zu riskieren. Beide Vorteile werden zusätzlich dadurch verursacht, dass sich an der Grenzschicht zwischen Anode und Elektrolyt das "Solid Electrolyte Interface" nur bedingt aufbauen kann, was den Innenwiderstand der Zelle reduziert. Quelle: technic-dreams.at

Wenn ich das also richtig verstehe, ist es auch möglich, moderne LFP und LYP Zellen mit LTO als Anodenmaterial zu kombinieren. Der Link wurde entfernt (404). hat bereits eine Zelle veröffentlicht und auch andere Hersteller wie beispielsweise EnerDel scheinen daran zu arbeiten.

Die technischen Daten der Der Link wurde entfernt (404). mit LTO Anode:

Ladeschlussspannung: 2,7 Volt
Entladeschlussspannung: 1,5 Volt
Leerlaufspannung: ca. 2,3 Volt
Energiedichte: 90 Wh/kg
maximale Dauerbelastung laden / entladen: 8C
Zyklenfestigkeit: >6.000 Zyklen (85% DOD)
Temperaturbereich für Ladung und Entladung: -30°C bis +55°C
Eigensicherheit: vorhanden

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Wenn man die Zellen vergleicht, so stellt man fest, dass beide Varianten enorme Unterschiede aufweisen und dennoch ihre Daseinsberechtigung haben.

Positiv hervorzuheben ist bei beiden Typen auf jeden Fall die Temperaturtauglichkeit, was unter Umständen den Verzicht auf eine Batterieheizung ermöglicht, ohne dadurch negative Auswirkungen zu haben. Also offensichtlicher Nachteil ist bei beiden Zellen die Zellspannung anzusehen. Wobei man das ja mit der entsprechenden Anzahl an Zellen wieder ausgleichen kann. Und immerhin liegen beide Spannungsniveaus über denen von NiCd und NiMh, die Zelle mit LTO Anode liegt sogar spannungsmäßig über einer Bleizelle.

Während LSP ein offensichtliches Energiebündel ist, glänzt eine LTO Zelle mit herausragender Zyklenfestigkeit und enormer Belastung um die 8C (im Fall der Toshiba Zelle). Wenn es nach mir ginge, würde ich gern eine LFP+LTO Zelle als nächste Generation in mein Auto stecken. Die Frage ist nur, wann wird es serienreife Modelle zu bezahlbaren Preisen geben?

Jetzt seid ihr an der Reihe, was denkt ihr über die Zukunft, wird es in den nächsten Jahren einen Durchbruch dieser beiden Varianten geben, oder erwartet uns vielleicht etwas ganz anderes? Habt ihr vielleicht sogar schon neuere Infos als die meinen?

Fröhliches Diskutieren.

Gruß
Micha

 

[Jan-EL]

Die Toshiba SCiB Zellen mit LTO Anode wären ganz nett für Plugin-Hybride und
ähnliche Fahrzeuge mit einer elektrischen Reichweite < 50 km.

Für richtige E-Fahrzeuge würden die LSP gehen. Die jetzigen LYP aber auch.
Klar eine höhere Energiedichte ist wünschenswert. Aber in meinen Augen reichen
da die LYP schon aus für Reichweiten von 200 bis 300 km.

Wo dringend was gemacht werden muß ist zum einen der Preis, Akkus für 300 km
kosten etwa soviel wie der Rest des Fahrzeugs. Da muß der aktuelle Preis deutlich
runter. 30 - 40 % wären gut, 20 % wären besser.

Eigensicherheit ist für alle Typen ein Dauerthema, aktuell hat Boeing Probleme.

Wo es noch Verbesserungen geben sollte ist der Bereich der Robustheit. Verhalten
beim tiefentladen, beim überladen, Zellen die keine Balancer brauchen ...

Neben den E-Fahrzeugen gibt es noch einen Riesenmarkt für Akkus. Der
Eigenverbrauch von Solarstrom. Aber beim jetzigen Preis der Akkus lohnt
es sich einfach noch nicht.

bis denne
Jan

 

[PowerTower]

Was mich an den LYP Zellen stört, ist der enorme Spannungseinbruch, wenn diese bei Kälte mit mehr als 1C belastet werden. Die LTO Zellen haben ja eine vergleichbare Energiedichte, sind aber gut belastbar. Bei einer 100 Ah Zelle nuckelt das Auto mit 2,5C. Für die LTO Zelle kein Problem, für die LYP Zelle purer Stress. Das würde sich bestimmt nicht negativ auswirken. Und die Reichweite wäre ähnlich.

Die Kosten sind ein Thema, ich hab da aber leider keine Zahlen vorliegen.

 

[Jan-EL]

Dann sind die Akkus zu klein, ich fahr mit 0,4 c (Vollgas + Heizung)
Da ist auch bis -10° alles easy. Kälter hatte ich es noch nicht.

Aber das ist auch ein Punkt den ich unter Robustheit einordnen würde.

bis denne
Jan

 

[PowerTower]

Siehste und das ist ein Problem der heutigen Akkugeneration. Man muss riesige Zellen einsetzen, aber nicht weil man die Kapazität irgendwie bräuchte, sondern weil man das aus Gründen der Strombelastung tun muss.

Rein von der Kapazität reichen mir persönlich die 100 Ah völlig aus (reicht für 80-90 km). Nun müsste ich aber größere 160 / 200 Ah Zellen einbauen, die das Auto mal eben 80-100 kg schwerer machen, nur um die Strombelastung in Grenzen zu halten. Das ist doch eigentlich völliger Irrsinn. Abgesehen davon, dass die aktuell verfügbaren Chinazellen mit einer solchen Kapazität gar nicht ins Auto passen, die Höhe ist auf 260 mm beschränkt. Von daher bin ich auf die 100 Ah Zellen angewiesen und muss mit dem Problem irgendwie leben. Parallelschaltung von kleineren Zellen würde funktionieren, aber dafür ist dann wieder die Grundfläche des Batteriekastens zu klein, um 80 Zellen unterzukriegen. LTO Zellen mit 100 Ah würden dieses Problem von jetzt auf gleich lösen.

P.S.: Bei 250 Ampere maximal würden Zellen mit 625 Ah benötigt, wenn ich wie du bei 0,4C bleiben will. Und davon brauch ich dann auch noch 36-42 Stück. Du wirst einsehen müssen, das geht einfach nicht.

 

[R.M]

Hallo

Am schnellsten löst das Problem eine Akkuheizung, egal was die Datenblätter sagen unter 20°C fühlt sich alles was Lithium enthält nicht wohl.

Gruß

Roman

 

[Cavaron]

Ich persönlich glaube, dass im Endkunden/Umrüstbereich die 18650er Zellen - unabhängig von der Chemie - Zukunft haben werden. Sie sind standartisiert und werden in großen Mengen produziert. Auch alle gängigen Chemien sind vertreten. Was noch fehlt, woran aber gearbeitet wird, ist ein System diese zu bündlen und zu überwachen. Ich meine dabei kein Super-Tesla-System mit Flüssigkühlung, sondern eben ein relativ einfaches System für Bastler (passiv mit optional Lüfter oder ähnliches). Auch hier muss man ordentlich überdimensionieren, um die Belastung für die kleinen gering zu halten, aber von Tesla-Sprints a la 4 Sekunden bis 100km/h werden die meisten Umrüster wohl absehen.

Gut könnte ich mir auch vorstellen, dass man sich ein Zweikomponentensystem aufbaut - z.B. einige Zyklen- und hochstromfeste Akkus die schnell mal nen Kick geben und für Kurzstrecken da sind (um die 20-30km) und dann viele, die eher mehr gespeicherte Energie haben und ihren Strom langfristig und gleichmäßig abgeben. Da ist man auch bis unter 1000 Zyklen gut dabei - bei den meisten Fahrprofilen zumindest.

 

[Bernd Schlueter]

Große Spannungsbereiche beim Laden und Entladen deuten auf starke Umkristallisierungsprozesse hin, die meist schädlich für die Lebensdauer und auch auf den Energiewirkungsgrad der Zellen sind. Flüssige Elektrolyten sind da vorteilhaft (Hochtemperatur-Zebra mit flüssigem Natrium hinter der keramischen Barriere).
Die Leclanchés und Genossen verwendeten gerne wässrige Ionenlösungen. In die Richtung gehen auch die Projekte mit nachfüllbarer Elektrodenflüssigkeit.
Vielleicht sind wir mit Lithium/Eisenphosphat schon nahe beim Optimum, vor allem auch preislich in Bezug auf die Rohstoffe. Nur Lithium gibt es nicht wie Sand am Meer, außer im Meer, da ist weit mehr als genug, aber sehr verdünnt und nirgendwo angereichert, weil es ein Alkali ist. Wie der Name schon sagt, Kali ist im Meer uberall gleichmäßig verteilt und muss erst angereichert werden. Bei Natrium und Kalium kein Problem, aber bei Lithium, wenn auch lösbar.
Das Einfachste ist die Verdunstung in Sahara und Australien.
Die bereits verdunsteten kontinentalen Seen sind bald ausgeräubert.
Ja, Natrium und Kalium sind noch ausgesprochen billig und unendlich...
Nun Macht mal endlich voran damit, ich brauche jede Menge Natrium-Eisenphophatakkus für 10 Cent die Amperestunde und 10.000Zyklen! ...und kommt mir bloß nicht sonem teuren Zeug wie Tantal , Gold oder Titanat an!
Schade, dass nur Nickel und Kohlenstoff bisher das Chlor reversibel genug in den gestreiften Zebras binden. Ach, denkste, das Eisenzebra ist bereits in der Entwicklung, das teure Nickel durch billigen Eisenschwamm ersetzt.

Wicki

Sumitomo entwickelt...

...und wieder ne Neuigkeit

Der Nickelpreis hat sich seit der Pleite der Nickelhortebrüder in Kanada vor drei Jahrzehnten nicht mehr erholt und liegt richtig erschwinglich tief. Das ist gut fürs Zebra: 1,5kg Nickel sind für eine kWh Speicherfähigkeit erforderlich, unter 20 Euro, der Rest ist rohstoffmäßig Centkram.

Zebras sind gut für Fahrzeuge, die laufend im Betrieb sind, wie Triebwagen. Auch als Zwischenspeicher für BHKW und Photovoltaik.
Wir haben ja ein paar Thinker unter uns.

 

[Lukas Simma]

Hallo

Ich persönlich glaube, dass im Endkunden/Umrüstbereich die 18650er Zellen - unabhängig von der Chemie - Zukunft haben werden.

Vorsicht mit der "Chemie", diese Firma hier in Vorarlberg hat so was gemacht was Du angesprochen hast, die haben halt Lithium Cobalt 18650er Zellen verwendet (von einem bekannten Chinesen Li***n). Im Bild im Artikel sieht auch etwas von dem Pack mit den vielen Zellen....
Brand1
Brand2

Im Artikel der batteryuniversity.com, Eigenschaften von Lithium Akkutypen, sind die Eigenschaften der verschiedenen Chemiegemische recht gut erklärt.
Nachfolgend die Eigenschaften von den Lithium Cobalt Zellen - super Energiedichte, beschissen in der Sicherheit.. diese Zellen haben einen ausgeprägten, gefürchteten Thermal Runaway

Hinweis: Quelle und Copyright des Bildes: www.batteryuniversity.com

Somit immer mit Hausverstand drangehen und vor allem nicht den schönen Marketinginfos der Hersteller alles glauben.

Gruss,
Lukas

 

[Cavaron]

Wie gesagt, 18650er gibt es mit ALLEN Chemien, auch LiFePo oder NiMh. Zudem gibt es protected Ausführungen bei denen jede Zelle mit Schutzelektronik und Druckventil ausgestattet ist. Das Billigste vom Billigen aus China darf man natürlich nicht nehmen.

Protected 18650

 

[PowerTower]

Ich sehe leider gar keinen Vorteil in den 18650 Zellen. Und ich hoffe nicht, dass ich irgendwann mal dazu genötigt werde, die wenigen 100 Ah Zellen gegen tausende 3 Ah Zellen zu tauschen. Ich kann mich mit dem Gedanken einfach nicht anfreunden. Die Standardisierung ist nett, aber das ist doch viel, viel, viel zu klein für unsere Anwendung. Da kann man ja genau so gut einen Traktionsakku aus eneloops bauen. Dass Tesla diesen Weg gegangen ist finde ich schon merkwürdig und alles andere als ideal.

Wenn die 18650 Zellen wenigstens 30 Ah hätten, könnte man nochmal darüber reden. Persönlich würde ich aber immer auf eine Parallelschaltung von Zellen verzichten, wenn es sich irgendwie vermeiden lässt.

Gerade für Umrüster ist die große Auswahl an unterschiedlich geformten Zellen eine gute Möglichkeit, diese möglichst passend in das Auto zu integrieren. Mit den prismatischen Zellen kann man auch schon vorher ganz problemlos die Maße des Akkukastens bestimmen.

 

[Sven Salbach]

ich denke eher nicht.Viele einzelne Zellen sind einfach auch viel anfällig bei Kontaktproblemen...
Daher halte ich für den Umrüstmarkt die kleinen Zellen für nahezu uninteressant..
Man sieht es ja bei den Headway Zellen...

 

[Yardonn]

Gerade für Umrüster ist die große Auswahl an unterschiedlich geformten Zellen eine gute Möglichkeit, diese möglichst passend in das Auto zu integrieren. Mit den prismatischen Zellen kann man auch schon vorher ganz problemlos die Maße des Akkukastens bestimmen.

Aber nur Massenfertigung bringt den Preis runter, und hohe Abnahmestückzahlen.
So schön das sein mag mit super passenden Prismischen Zellen (keine Frage...), so unschön ist meistens der Preis, oder so gering sind die praktischen Erfahrungen bei einer Vielzahl von Zellen...

Wichtig sind nun mal Preis (pro Wh...), Leistungfähigkeit, Temperaturbeständigkeit und Langzeiterfahrung.
Für uns bastler natürlich auch die Skalierbarkeit der Lösung. Nicht jeder braucht 100 Ah, und will sie vielleicht nicht unbedingt kaufen.

Mein ganz wilder Akku (aus diversen 10 S - 16850-Zellen LiMn Akkus ... aber auch ein 12 S LiFePo mit drin....) ist vielleicht nicht das Mass der Dinge (um es anders zu sagen, eine ganz wilde Bastelei...), aber wenn ich 10 km mehr reichweite brauche, dann greife ich bei der Firma ins Regal, und schließe einfach einen weiteren Block (z.B. 10S 5P - 10,5 Ah) an.
Das hat auch was.... (wozu man wissen muss, standardmässig fahre ich nur mit 43 Ah (dann ist aber absolut leer... bei 35 Ah raus möchte man schon keinen langen steilen Berg mehr haben...).

Aber sauberer ist die Lösung mit "massgeschneiderten" Prismischen Blöcken schon... wenn da nicht das Geld wäre, was so ein Akku kostet... dann hätt ich ihn natürlich schon längst.....

Kleine Zellen mit ihren diversen Ausführungen bieten halt interessante Ansätze abseits des Mainstream von "immer Satt Kapazität rein".
Mein 3P 12 S A123 Reserveakku aus den 2,3 Ah Rundzellen (uralt, zeimlich Fertig, bringen aber noch 5,5 Ah...) z.B. kann mein CityEl mit den notwendigen 120 A versorgen. Hauptakku vor dem Hausberg (was gibst übleres als oben auf men Hügel zu wohnen....) schon im Keller... kein Fussmarsch dank unglaublicher A123-Power.
Oder wenn mein CityEl nur mal rangiert werden muss (der Hauptakku wird auch woanders verwendet...).

Was mich wieder zum Titel des Threads bringt...
eigentlich brauchen wir keine neuen Technologien (also nicht unbedingt... wehren tu ich mich nicht, wenn man Energie oder Leistungsdichte steigert....), sondern einfach nur bezahlbarkeit...
Und wer da gerade die Nase vorn hat, hängt von vielen Faktoren und nciht zuletzt von den (manchmal recht speziellen ) Wünschen und Ideen des EL-Fahrers ab...

 

[PowerTower]

Habe gesehen, dass es neben der Toshiba SCiB Zelle noch was anderes interessantes mit LTO gibt von Altairnano.

Der Link wurde entfernt (404).
Der Link wurde entfernt (404).

Das könnte der nahezu perfekte Akku sein, wenn da nur nicht die extrem magere Energiedichte von knapp über 50 Wh/kg wäre. Selbst Toshiba schafft immerhin 90 Wh/kg mit der gleichen Technik, womit man auch gut leben kann. Die restlichen Daten klingen allerdings äußerst überzeugend. Man findet zwar nicht allzu viele Informationen im Internet sowohl zur Toshiba Zelle als auch zum Altairnano Akku (den es wohl momentan nicht als Einzelzellen gibt), dennoch lassen sich diese wohl bestellen. Was auch noch fehlt ist eine Preisangabe, die sich nirgendwo finden lässt. Besteht da etwa die Gefahr, beim erblicken der Zahlen umzufallen?

Man könnte echt überlegen, die kostenintensive LFP Aufrüstung aufzuschieben, weil es schon danach aussieht, dass in den nächsten 1-2 Jahren neue Technologien auf dem Markt verfügbar sind. Die Frage ist nur, ob das eben auch bezahlbar ist.

 

[i-MiEV]

Die technischen Daten der Der Link wurde entfernt (404). mit LTO Anode:

Ladeschlussspannung: 2,7 Volt
Entladeschlussspannung: 1,5 Volt
Leerlaufspannung: ca. 2,3 Volt
Energiedichte: 90 Wh/kg
maximale Dauerbelastung laden / entladen: 8C
Zyklenfestigkeit: >6.000 Zyklen (85% DOD)
Temperaturbereich für Ladung und Entladung: -30°C bis +55°C
Eigensicherheit: vorhanden

Dazu eine Ergänzung:
Diese Toshiba SCiB wird als 20Ah Zelle gebaut.
In Japan wird sie (aus 40Ah-Modulen gebaut) als 10.5kWh Packet im Mitsubishi i-MiEV seit einem Jahr eingesetzt.
Hier ein Artikel mit Bild dazu.

Gruss Walter

 

[Multimegatrucker]

Nachfolgend die Eigenschaften von den Lithium Cobalt Zellen - super Energiedichte, beschissen in der Sicherheit.. diese Zellen haben einen ausgeprägten, gefürchteten Thermal Runaway

und vor allem nicht den schönen Marketinginfos der Hersteller alles glauben.

Ach Lukas,

und wem glaubst du wenn du sagst, dass man "geschönten" Marketinginfos nicht alles glauben soll?

Ich weiß inzwischen kaum noch (müsste ich hier nachlesen :rp: ) wie lange ich diese Lithium Kobalt Blöcke fahre und bin immer noch begeistert.

Für die nahe Zukunft kommt bei mir allerdings keine prismatische "Zelle" mehr zum Einsatz. Das steht fest.
Ich denke eher an "echte" Lithiumnanophosphat-Zellen.
Einzelzellen, je 70Gramm bei 2,5Ah, 117Wh/kg die sich bei -30°C bis +50°C wohl fühlen, bis 28C kontinuierlich belastbar sind :spos: und bei 4C locker flockig eine Schnellladung hinnehmen.
A123 Systems ANR26650M1B

Die neue Generation hat statt Falzdichtungen eine laserverschweißte Konstruktion, welche somit sehr widerstandsfähig gegen Feuchtigkeit ist und ein Austreten von Gasen oder anderer unschöner Dinge von vorne herein aussschließt.

Hier gibt es bereits einige die mit 18650er große Erfolge erziehlt haben. Ich denke da an eine Rekordfahrt nach Paris.
Schön wäre es zu wissen, wie die Einzelzellen miteinander verbunden sind. Verlötet wurden sie jedenfalls nach meinem Kentnisstand nicht.

Viele Grüße
Johannes

 

[PowerTower]

Dazu eine Ergänzung:
Diese Toshiba SCiB wird als 20Ah Zelle gebaut.
In Japan wird sie (aus 40Ah-Modulen gebaut) als 10.5kWh Packet im Mitsubishi i-MiEV seit einem Jahr eingesetzt.
Hier ein Artikel mit Bild dazu.

Hm, aber hat der i-MiEV denn nicht auch Probleme im Winter (Belastung, Reichweite)? Theoretisch sollte doch bei der SCiB Zelle alles locker fluffig funktionieren.

 

[i-MiEV]

Der i-MiEV fährt ausserhalb Japans überall mit YUASA Li-Mn2-O4 Zellen. Damit schwächelt er im Winter im Gegensatz zu den Toshiba SCiB Zellen.

 

[PowerTower]

Gibt es einen Grund, warum die nicht weltweit eingesetzt werden, wenn man doch bei den japanischen Modellen gute Erfahrungen damit hat? Ich hab beruflich auch mit Titan zu tun und das ist sicher nicht der Kostentreiber. Das sollte je Zelle nicht mehr als 5 Euro ausmachen.

 

[i-MiEV]

Mit der Toshiba SCiB-Zelle ist der i-MiEV in Japan deutlich billiger als die Version mit YUASA.
Aber die Japaner probieren Neuerungen meist zuerst 1 Jahr im eigenen Land bevor sie an den Export denken. In diesem Fall kommt noch der höhere Aufwand bei Akkus für die Ersatzteillogistik dazu. Mitsubishi ist wohl ein zu kleiner Autohersteller um solche Kosten zu stemmen.