Geladen - der Batteriepodcast

30 Jahre nach ihrer Markteinführung hat sich die Lithium-Ionen-Batterie zum am weitesten verbreiteten Batteriezellkonzept entwickelt. Die steigende Nachfrage nach Lithium-Batterien führt jedoch zu Problemen bei der Beschaffung von Rohstoffen und Komponenten. Daher ist es notwendig, alternative Zellkonzepte zu entwickeln, die auf Rohstoffen basieren, die besser verfügbar sind und eine sichere, nachhaltige und kosteneffiziente Versorgung mit Hochleistungsbatterien gewährleisten. Diese Batterien werden auch Post-Lithium-Batterien genannt und basieren z.B. auf Natrium, Calcium, Kalium, Magnesium oder Zink.

Folgen zu Natrium: https://geladen.podigee.io/118-hartkohlenstoff

Im Geladen-Podcast setzen sich Patrick Rosen und Daniel Messling mit ihren Gästen wissenschaftlich mit den Themen #Energiewende, #Elektromobilität, #Elektroauto und #Batterie auseinander. Der Podcast wird produziert vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

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Die geplante Streichung der Förderung für die Batterieforschung durch das BMBF ab 2025 hat in Industrie und Wissenschaft für große Unruhe gesorgt. Der neue langjährige Finanzplan der Bundesregierung sieht keine Fördermittel mehr aus dem Klima- und Transformationsfond für neue Batterieforschungsprojekte vor, nur was schon läuft, wird noch weiterfinanziert. Und das in einer Phase, in der in Deutschland eine Batterie-Industrie entstehen soll, um u.a. die Antriebsbatterien für Elektroautos zu fertigen. Welche dramatischen Auswirkungen dieser Förderstopp haben wird, diskutieren Prof. Maximilian Fichtner vom Karlsruher Institut für Technologie und der Universität Ulm und Prof. Heiner Heimes von der RWTH Aachen.

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Mehr Elektroautos auf europäischen Straßen bedeutet mehr Batterien und auch mehr Lithium. Europa darf sich nicht komplett auf China verlassen bei dem Batterierohstoff Lithium. Mittlerweile gibt es viele Lithium-Bergbauprojekte in Europa. Das Projekt in Serbiens Jadar-Tal sticht heraus aufgrund seiner Größe, aber auch der Proteste dagegen. Michael Schmidt von der deutschen Rohstoffagentur gibt Einblick in dieses europäische Leuchtturmprojekt und nimmt Stellung zu den Umweltbedenken.

Für mehr Unabhängigkeit von chinesischen Lieferanten sorgt auch die deutsche Firma AMG Lithium, die Lithium zu batteriefähigem Lithiumhydroxid im Chemiepark Bitterfeld veredelt. Sie ist damit der erste Anbieter von Lithiumhydroxid in Batteriequalität mit einer Produktionsstätte auf dem europäischen Festland.

Der Lithiumpreis sackte nach einem Spitzenwert von 80.000 US$ pro Tonne Ende 2022 bis Ende 2023 auf unter 15.000 US$ ab. Der #Lithiummarkt ist starken Schwankungen ausgesetzt. Und der sehr niedrige Preis im Moment schadet vielen Lithium-Projekten in Europa.

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Prof. Marc Hiller vom Karlsruher Instituts für Technologie erklärt die Funktionsweise von Wechselrichtern und Umrichtern und ihre Verwendung bei Elektroautos und Heimspeichern. Außerdem behandeln wir die Grundlagen von der Elektrotechnik, wie Gleichstrom, Wechselstrom, Einphasenwechselstrom, Dreiphasenwechselstrom, Multilevel-Umrichter, Gleichspannungswandler (DC-DC-Konverter) und Frequenzumrichter und mehr.

Die Leistungselektronik ist die elektrotechnische Verbindung zwischen den eigentlichen Batteriezellen und den angeschlossenen Systemen, d.h. den Stromerzeugern, den Verbrauchern und dem Stromnetz.

Der Multilevel Umrichter besitzt viele wesentliche Vorteile im Vergleich zu einem herkömmlichen zweistufigen Wechselrichter, wie z. B. die Verbesserung des Spannungsprofils, die Erhöhung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems oder die Steigerung der Lebensdauer. Die drei deutschen Firmen Pulsetrain (vormals Bavertis), Sax Power und p&e power&energy nutzen ML-Umrichter, um Heimspeicher und E-Autos zu optimieren.

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Fernwärme wird immer in einem Atemzug mit Wärmepumpen genannt, wenn es um die Wärmewende geht. Unser Gast, Prof. Volker Quaschning, zweifelt an dem Potenzial der Fernwärme für die Wärmewende und erklärt, warum die #Fernwärme im Moment noch so klimaschädlich ist und mit welchen Energieträgern sie in Zukunft grün gemacht werden kann.

Seit Robert Habecks #Heizungsgesetz bzw. Gebäudeenergiegesetz ist der Absatz von #Gasheizungen sogar noch gestiegen und #Ölheizungen wurden auch weiterhin eingebaut. Gleichzeitig ist der Markt für #Wärmepumpen nicht mehr so gewachsen, wie prognostiziert und für die Wärmewende auch unabdingbar. Prof. Quaschning versucht dieses Phänomen zu erklären. Vor allem vor dem Hintergrund eines stark steigenden CO2-Preises und damit deutlich steigender #Gaspreise in den nächsten Jahren und der Vorgabe ab 2029 Anteile erneuerbarer Energie in Gasheizungen und Ölheizungen einzusetzen.

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Volker Quaschning:

YouTube: https://www.youtube.com/c/VolkerQuaschning

Die "All-Solid-State"-Batterie (ASSB) - sie elektrisiert bis heute die Batterie-Branche! Noch vor wenigen Jahren waren sich Industrie und Forschung einig: Die Entwicklung der Festkörperbatterie (ASSB) steht GANZ kurz vor Vollendung! Doch bis heute (Stand: Oktober 2024) hat weltweit noch kein einziges Unternehmen eine echte Massenproduktion "voller Festkörperbatterien" realisiert.

Hand auf's Herz: Haben Batterieforscher einfach zu früh viel zu viel versprochen? Wo liegt eigentlich das Problem bei ASSB? Wenn es schon "halbe Festkörperbatterien" ("Semi/Almost Solid-State"-Batterien) gibt - was verspricht man sich dann noch von der "All-Solid-State"-Batterie?

Laufende Ankündigungen gab es genug…

(a) Sulfide: #CATL, #LGES, #Panasonic, #Samsung, #SolidPower (#BMW), #SVOLT, #Toyota

(b) Oxide: #ProLogium (#Mercedes), #QuantumScape (#Volkswagen), #TalentNewEnergy

(c) Polymer: #WeLion New Energy, #Sakuu Batteries, LG ES, #BlueSolutions (#Bolloré), Hydro Quebeck, SES

(d) Sonstige: #BYD, #EVE, #Farasis, #GAC Group, #Gotion, #Honda, #Nissan, #StoreDot, #Schaeffler

Kann es sein, dass wir jahrelang einfach in die falsche Richtung geschaut haben? Während Toyota und CATL nun frühestens nach 2030 Feststoff-Batterien massenhaft produzieren wollen, treten neue Batterie-Player aufs Parkett: "Yoshino Power" und "TDK Corporation".

Wir fragen Podcastgast Prof. Jennifer Rupp (TUM/Qkera), was sie von den Schlagzeilen rund um "Yoshino Power" und "TDK Corporation" hält. Beide Unternehmen geben an, Durchbrüche rund um ASSB errungen zu haben. Am Ende des Podcasts stellt Rupp ihre Startup-Idee (Qkera) für Festkörperbatterien vor.

Berichtigung zu "Yoshino Power": Die erste portable Power-Station als Festkörperbatterie scheint sich als Falschmeldung oder gar Betrug zu entpuppen. Danke an die aufmerksamen Hörer Michael Rieken und Dominic Seibert.

"IS Yoshino Solid State Battery Or ? Tear Down!" von "JOHNNY'S WEEKENDS-Power Your World!" https://www.youtube.com/watch?v=GTbJVahtCR8

"Festkörperbatterien sind WIRKLICH da - oder doch nicht?" von "Undecided with Matt Ferrell": https://www.youtube.com/watch?v=LsZfjF9SObo

TDK successfully developed a material for solid-state batteries: https://www.tdk.com/en/news_center/press/20240617_01.html

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Die Idee hinter "HVO100" ist denkbar genial wie einfach: Solange sich die Elektromobilität noch nicht überall durchgesetzt hat, könnte man doch anstatt des Verbrenner-Antriebs einfach den fossilen Kraftstoff neu erfinden und nachhaltig erzeugen. So müssten evtl. langfristig generell weniger neue Fahrzeuge neu gebaut werden.

In jeden Fall soll der als "Klimadiesel" bezeichnete grüne Kraftstoff HVO100 eine (schon heute zugängliche) Übergangslösung hin zur Elektromobilität bieten. Laut neuesten Zahlen von "Mobil in Deutschland e.V." ("HVO100 Diesel goes Germany") bieten derzeit ca. 130 deutsche Tankstellen den Kraftstoff HVO100 an. Die ersten Tankstellen verkaufen den Kraftstoff als "nachhaltige Alternative zu fossilem Diesel", der lediglich aus erneuerbaren Rohstoffen wie Abfällen und Reststoffen besteht.

Die heutigen Podcastgäste, Prof. Michael Sterner (OTH Regensburg) und Dr. Andreas Menne (Fraunhofer UMSICHT) erklären Ihre Sicht auf die Dinge und beantworten folgende Fragen:

(1) Bei welchen Fahrzeugen sollte HVO100 zur Anwendung kommen?

Viele Bilder stammen von der "Sendung mit der Maus": Kraftstoff aus Frittenfett (WDR). https://kinder.wdr.de/tv/die-sendung-mit-der-maus/av/sachgeschichte-kraftstoff-aus-frittenfett-teil-1-100.html

Die Deutsche Bahn setzt vereinzelt auf HVO100: https://www.dbenergie.de/dbenergie-de/Wie-aus-Frittenfett-der-Biokraftstoff-HVO-hergestellt-wird-12888606

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Der europäische Emissionshandel (ETS) ist ein Eckpfeiler der EU zur Bekämpfung des Klimawandels und zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Nun ist es so, dass es bereits um das Jahr 2039 keine neuen CO2-Zertifikate mehr geben wird. Dr. Vicki Duscha vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI erklärt uns, ob die Industrie und der Energiesektor bis dahin nahezu null CO2-Emissionen erreichen müssen. Ob z.B. ein Stahlwerk den Stahl nicht mehr mit Kohle oder Erdgas herstellen darf oder Gaskraftwerke nicht mehr betrieben werden dürfen.

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Ein Akku gilt als tiefentladen, wenn seine Restspannung unter ein bestimmtes Level, die sog. "Entladeschlussspannung" absinkt. Diese Spannung ist bei unterschiedlichen Zellchemien (NMC, LFP, LTO) sehr individuell ausgeprägt. Lithium-Polymer-Akkus (3,3V) bzw. NMC-Zellen (2,5 bis 3,0 V) gelten vergleichsweise als besonders anfällig für interne Strukturschäden, die bei Tiefentladung alle Zellkomponenten von der Anode bis zur Kathode betreffen.

Während die berühmten NMC-Zellen bei Tiefentladung schnell irreversible Schädigung und zu Kapazitätsverlust aufweisen, gelten LFP-Zellen (2,0V) als relativ resistent gegenüber Material- und Zellschäden, die bei Tiefentladung auftreten können.

Eine Studie über Lithium-Titanat-Batteriezellen aus dem Jahr 2022 bescheinigt auch LTO-Zellen eine besonders hohe Resistenz gegenüber Materialveränderungen bei Tiefentladungen. In der Veröffentlichung zeigten tiefentladene Zellen über einen Zeitraum von 84 Tagen erstaunlich wenig Kapazitätsverlust nach mehrfacher Tiefenentladung.

Folgende Gase sorgen für das berühmte "Aufblähen" der Pouch-Zellen: Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und vereinzelt Methan.

Die Ursachen einer Tiefentladung können vielfältig sein: Von der Batterie-Nutzung über Defekte im Batteriemanagementsystem bis hin zu extrem tiefen Temperaturen.

Im Gegensatz zu kleinen Batterien (Handy, Laptop, Powerbank) sind große, moderne Elektroautos mit ihren Batterie-Management-Systeme dafür designt, eine Tiefentladung zuverlässiger zu verhindern. Abschaltautomatiken, Schutzschalter, Ladefenster und Puffer-Notreserven sorgen dafür, dass Elektroautos im Alltag praktisch nie tiefentladen.

Andreas Schmitz über die Tiefentladung von Lithium-Zellen:

Mechanism of the entire overdischarge process and overdischarge-induced internal short circuit in lithium-ion batteries:

"Li-Ion Battery Deep Discharge Degradation" von Petr Prochazka et.al.:

Jonathon R Examining the Performance of Implantable-Grade Lithium-Ion Cells after Overdischarge and Thermally Accelerated Aging (2022):

Podcastfolge mit Dr. Kai-Philipp Kairies (Accure):

Battery-Generation-Podcastfolge mit Prof. David Howey:

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Wer erstmalig ein Elektroauto kauft, beschäftigt sich zwangsläufig auch mit der erwartbaren Lebensdauer der Antriebsbatterie. Zu "Degradation von Lithium-Ionen-Batterien" kursieren im Netz (neben viel Falschinformation!) auch diverse Batterie-Nutzungstipps, die eine zu schnelle Alterung wirkungsvoll verhindern.

Die Verlängerung von Akku-Lebensdauer ist ein heißes Thema in der Materialwissenschaft: In dieser Podcast-Episode erklären die beiden Batterieforscher Prof. Arnulf Latz (DLR) und Prof. Axel Groß (Uni Ulm), welches Ladeverhalten Li-Batterien besonders schnell altern lässt - und was bei diesen schädigenden Prozessen in der Zelle genau passiert.

Akku-Nutzungstipps in Kürze:

*Disclaimer: Eine Batterie ist ein Gebrauchsgegenstand! Diese Tipps basieren auf Forschungsergebnissen, die in der Realität nicht (immer) anwendbar sind. In jedem Fall hat das Batteriemanagementsystem einer Batterie zusätzliche Auswirkungen auf das Nutzungsverhalten eines jeden des Anwenders.

Link zum Batterie-Rechner von Stephan Klapszus:

Nach den beiden Batterieforschern hängt die Akku-Lebensdauer im Wesentlichen von sechs Parametern ab:

Über diese Parameter können Batteriemodelle eine recht valide Alterungsprognose errechnen: Typischerweise gilt eine Zelle als degradiert, sobald der Akku-"Gesundheitszustand" ("State of Health", SoH) unter 70% Restkapazität fällt. Dies ist der Referenzwert, der z.B. für eine E-Auto-Garantie herangezogen wird. Bei weniger als 160.000 km Fahrleistung bzw. 8 Jahren Nutzung stellt jede Traktionsbatterie unter 70% Restkapazität ein Garantiefall dar.

Link zum YouTube-Kanal von Stephan Klapszus:

Link zum Veröffentlichung "Towards a Physics-Based Battery Aging Prediction" von DLR-Wissenschaftlern (Lars von Kolzenberg, Jochen Stadler, et al.): https://www.researchgate.net/publication/357365639_Towards_a_Physics-Based_Battery_Aging_Prediction/

Link zur Geladen-Episode zu Heimspeichern:

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