LITHIUM-IONEN-ZELLEN

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeicher-, Ladungs- und Nutzungssystem auf Basis von Sekundär-Lithium- Ionen-Zellen .

Heutzutage werden Sekundär-Zellen weithin auch für Netzunabhängige Anwendungen eingesetzt. Durch die vorliegende Erfindung wird jedoch erstmalig ein geschlossenes Nutzungs- Kreislaufsystem für Sekundär-Lithium-Ionen-Zellen vorgeschlagen, das die Ladung, die Auslieferung (z.B. aus einem Depot) , den Einbau für die Verwendung sowie den Ausbau der Sekundär-Lithium-Ionen-Zellen nach ihrer Verwendung in Transporteinrichtungen bzw. Fahrzeugen umfasst .

In einem erfindungsgemäßen Energiespeicher-Kreislauf (EKL) - System (vgl. Fig. 1) werden über Anlagen zur dezentralen Energieerzeugung, z.B. Solarenergieanlagen (I) und/oder Windenergieanlagen II, über einen Laderegler (III) standardisierte Lithium-Ionen-Zellen (Batterien) geladen, geprüft (V) und in Transporteinheiten eingebaut (Batterieaustausch) , dort zum Antrieb verwendet und dabei entladen. Nach Verbrauch der gespeicherten Energie kehrt das Transportfahrzeug an eine in seiner Reichweite liegende Energiespeicher-Kreislauf- (EKL-) Station (Fig. 2) . Der Energiespeicher (Li-Ionen-Zelle) (leer/entladen) wird gegen einen neuen (voll/geladen) und geprüften Energiespeicher ausgetauscht und das Fahrzeug kann wieder in dem flächendeckenden EKL-Netz seiner Reichweite entsprechend (z.B. 300-700 km) fahren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein System zur Verfügung zu stellen, das vollständig bzw. weitgehend unabhängig von dem bisher üblichen Versorgungssystemen mit flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen als Energiebasis für geeignete Antriebssysteme von Transporteinheiten bzw. Fahrzeugen dienen kann.

Die Fig. 1 und 2 illustrieren den Erfindungsgedanken. Die Aufgabe der Erfindung wird durch das in Anspruch 1 definierte System gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sie auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Energiespeicher-Kreislauf (EKL) -System ist ein System, bei dem Lithium-Ionen-Zellen als Energielieferanten die Funktion der üblichen flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe in konventionellen Transportsystemen bzw. Transporteinrichtungen, wie z.B. Personenkraftwagen (PKW), Bussen und Lastkraftwagen (LKW) und anderen Fahrzeugen übernehmen.

Die in dem erfindungsgemäßen System verwendeten Li-Ionen- Zellen sind bevorzugt standardisierte HE- (High Energy-) oder HP- (High Power-) Zellen. Auch UHP- (Ultra High Power) Zellen wie z.B. UHP 341450 (GAIA, Akkumulatorenwerke, Nordhausen) sind als Basis geeignet.

Wie z.B. in „Laderegler für Solar- und Windanlagen", S. 596-598 (Conrad Verkaufskatalog 2006) beschrieben, stehen als Antriebs- und Startersysteme 12V, 24V oder auch 42 V Batterien zur Verfügung. Hierbei werden Einzelzellen zu Batterien vorzugsweise durch Parallelschaltung zu den HP bzw. HE Systemen mit 25 Ah bis zu 60 Ah geschaltet. Bei der Zelle GAIA 1702100 wird z.B. bis zu 485 Ah in der Einzelzelle gespeichert. Werden derartige Zellen zu Batterien mit zwei oder mehreren Einzelzellen geschaltet, sind wesentlich höhere Energie- bzw. Leistungsdichten erreichbar. Für die Standardisierung (und speziell für den Einsatz im Fahrzeug- bzw. Automobilsektor) werden die Batterien mittels eines BMS (Batteriemanagementsystem) an die Verwendung in Motorfahrzeugen adaptiert.

BMS: a) Kommunikation mit der Auto Elektronik (via CAN-BUS) b) Sicherheitsabschaltung c) Kontrolle der Ladung (über/unter) d) Kontrollmessung von Temperatur, Strom und Spannung e) Balancierung der Einzelzellen im Batteriesystem f) Voraussage über den Ladungszustand (vgl. c)

In LTC Lithium Technology Firmenpräsentation März 2007, werden für den Bereich Fahrzeugtechnik u.a. 14S 50V/6Ah, 50 S l P 180V/45Ah; 1OS 36V/7,5 Ah; 8OS IP 288V/7,5 Ah oder OFRO 25V/60 Ah Li-Ionen-Zellen beschrieben. Geeignete Ladregler sind aus „Laderegler für Solar- und Windanlagen" (Conrad Verkaufskatalog 2006; S. 596-598) bekannt.

Geeignete Zellen (Batterien) , die als Starter-Batterien oder als Energieträger für Fahrzeuge in Frage kommen, werden z.B. in „Internat. Seminar und Exhibit on primary and secondary Batteries, March 11-14,2002, Boca Raton, FIo. USA edit. M. Schweizer-Berberich et al . P 5/8 bis 8/8 und Advanced Lithium Ion Batteries, LTC Lithium Technology Corporation" beschrieben.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Energiespeicher- Kreislaufsystem unter Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen zur Verfügung, in dem Strom aus Energieerzeugungsanlagen (I; II) in Ladestationen zur Ladung der Lithium-Ionen- Zellen (V) verwendet wird, die in den Ladestationen (IV) oder in Depotstationen aufbewahrt, bei Bedarf entnommen und zum Betrieb von Transporteinheiten verwendet und nach Entladung an derselben oder einer anderen Lade- oder Depot- Station wieder gegen geladene Lithium-Ionen-Zellen ausgetauscht werden. Die Ladestationen und die Depotstationen können miteinander identisch, benachbart oder räumlich voneinander getrennt sein, wobei im letzteren Fall ein Transport der Energiespeicher zwischen der/den Ladestation (en) und der/den Depotstation (en) erfolgen kann.

Die Energieerzeugungsanlagen sind bevorzugt dezentrale Energieerzeugungsanlagen, besonders bevorzugt Solarenergieanlagen (I) und/oder Windenergieanlagen (II), wobei aber auch traditionelle bzw. konventionelle Energieerzeugungsanlagen verwendet werden können.

In dem erfindungsgemäßen Energiespeicher- Kreislaufsystem steht bevorzugt der Strom zum Laden der Lithium-Ionen- Zellen (V) über einen Laderegler (III) der Ladestation (IV) zur Verfügung. In dem erfindungsgemäßen Energiespeicher- Kreislaufsystem werden die Lithium-Ionen-Zellen bevorzugt geladen, geprüft und getestet werden bevor sie als Energiespeicher in eine Transporteinheit eingebaut werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicher- Kreislaufsystems werden die entladenen Lithium-Ionen-Zellen dann in den Ladestationen (IV) erneut geladen und gewartet. Die Ladestationen und/oder die Depotstationen sind bevorzugt flächendeckend angeordnet, so dass ein Austausch der Lithium-Ionen-Zellen vor der vollständigen Entladung stattfinden kann, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Ladestationen und/oder den Depotstationen bevorzugt 300-700km beträgt.

Die Spannung der Lithium-Ionen-Zellen beträgt bevorzugt 12, 24 oder 42 V und die Nominalkapazität 25 bis 500 Ah, bevorzugter 25 bis 60 Ah. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die verwendeten Li-Ionen-Zellen zu Batterien gebündelt. Die verwendeten Li-Ionen-Zellen enthalten als elektrochemisch aktives Kathodenmaterial bevorzugt Li-interkalierbare Schwermetalloxide oder besonderes bevorzugt Li-Fe- oder Li-V-phosphate und als elektrochemisch aktives Anodenmaterial Li-interkalierbarer synthetischer oder natürlicher Graphit verwendet wird. Als Separator zwischen Anode und Kathode wird in den Li-Ionen- Zellen bevorzugt eine Elektrolyt enthaltende, poröse Polyolefin-, Polyfluor- oder keramische Schicht mit einer Dicke von 10-40μm, besonders bevorzugt mit 5-25μm Dicke, verwendet .

In der Figur 1 wird das Energiespeicher-Kreislaufsystem der Erfindung schematisch dargestellt. In diesem Beispiel erzeugen Solarzellen (I) und eine Windenergieanlage (II) Strom, der über den Laderegler (III) zum Laden von Lithiumzellen - die bevorzugt zu Batterien zusammengeschaltet sind - dienen. Das Bezugszeichen (III) bezeichnet einen Laderegler. Das Bezugszeichen (IV) bezeichnet eine Ladestation und/oder das Batteriedepot für das erfindungsgemäße Energiespeicher-Kreislaufsystem. Die in der Ladestation bzw. dem Batteriedepot (IV) geladenen bzw. deponierten Batterien, sind bevorzugt standardisierte Lithium-Ionen-Zellen. Das Bezugszeichen (V) stellt schematisch den Energieverbrauch bzw. den Ladezustand der Lithium-Ionen-Batterien dar. Das Bezugszeichen (Va) bedeutet, dass die Li-Ionen-Zellen-Batterien voll geladen sind und für den Einbau in Fahrzeuge zur Verfügung stehen. Bei Entladung auf das durch (Vb) bezeichnete Niveau, wird ein Anfahren an eine Ladestation bzw. Depotstation und ein Austausch der Li-Ionen-Batterie notwendig. Nach Ausbau der entladenen und Einbau einer neu geladenen Batterie (Batteriewechsel) kann der Betrieb des Fahrzeugs fortgesetzt werden.

Wie aus der Fig. 1 schematisch ersichtlich, liegt mit dem Energiespeicher-Kreislaufsystem ein in sich geschlossenes, völlig vom Stromleitungsnetz sowie von fossilen Treibstoffen weitgehend unabhängiges Versorgungssystem vor.

In der Fig. 1 sind als bevorzugte Beispiele für dezentrale Anlagen zur Stromerzeugung in dem erfindungsgemäßen System Solarzellen bzw. Windenergieanlagen angegeben. Jedoch können auch andere dezentrale Anlagen zur Stromerzeugung bzw. Kombinationen von verschiedenen Anlagen zur Stromerzeugung wie Wasser- und Gezeitenkraftwerke und - wenn es z.B. keine oder keine ausreichende Versorgung mit regenerativen Energiequellen gibt - herkömmliche Kraftwerke bzw. Blockheizkraft als Stromquellen dienen, wobei jedoch Anlagen zur Stromerzeugung, die regenerative Energiequellen verwenden, bevorzugt sind.

Die mit dem Bezugszeichen (I) als Beispiele angegebenen Solarzellen- (Photovoltaik-) Einheiten, die als eine Anlage zur Energieerzeugung für eine der Fig. 1 entsprechende EKL- Einheit dienen. Die Zahl der Solaranlagen (I) bzw. die Quadratmeterfläche der Photovoltaik-Einheiten liegt bevorzugt bei mindestens 100 m ² bis z.B. 10000 m ² ; eine Beschränkung der Solarmodul-Fläche oder eine Spezifizierung des Solarmoduls (amorph, polykristallin, Dünnschicht o.a.) liegt nicht im Rahmen dieser Erfindung und wird auch nicht beansprucht . Die Zahl der als Beispiele genannten Windenergieanlagen (II) beträgt 1-20 vorzugsweise 1-7, mit Leistungen von 10 KW bis 1000 KW. Auch hier ist die Größe und Leistung der Windenergieanlage abhängig vom Bedarf der Ladestation bzw. des Depots (IV) . Die Anlagen zur Stromerzeugung (I) und (II) speisen bevorzugt parallel den erzeugten Strom in die Ladestation (IV) . Der bevorzugt zwischengeschaltete Laderegler (III) stellt sicher, dass mittels der jeweiligen Ladeschaltungen keine Störungen während des Ladevorganges ausgelöst werden können (Überspannungen, Überladungen, Phasenumkehr usw.) . Durch den Ladevorgang werden die bereitgestellten Batterien und/oder Lithium-Ionen-Zellen gegebenenfalls unter Verwendung eines BMS

Batteriemanagementsystem geladen. Anschließend (d.h. nach dem Laden) werden die Batterien geprüft.

Die Prüfung der geladenen Batterien (Zellen) entspricht ebenfalls den Sicherheitstests wie sie in „Lithium-Ion- Batteries" edit. by M. Wakihara, O. Yamamoto, Wiley-VCH, Weinheim (1998) p.91-93, beschrieben sind.

Die geladene (n) Li-Ionen-Batterie (n) bzw. (Zelle (n) ) wird (werden) (vgl. Fig. 1 (Va)) in das (die) Fahrzeug(e) bzw. Transporteinheit (en) eingebaut, diese haben dann entsprechend der Energie (Kapazität) der eingebauten Batterie (Zelle) eine Reichweite von 300-700 km bis zur nächsten EKL Station - wo der nächste Batterie (ZeIl)- Wechsel stattfindet.

In der Fig. 2, wird eine Ansicht des erfindungsgemäßen EKL- Systems, wie es ausschnittsweise in Fig. 1 dargestellt ist, geographisch beispielhaft für das Gebiet der BR Deutschland dargestellt. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, sind die Stellen für den Austausch der Energiespeicher in flächendeckender bzw. die jeweilige Reichweite des Energiespeichers abdeckender Weise über das jeweilige (Staats-) Gebiet verteilt. Die Fig. 2 zeigt, dass mit den EKL-Stationen ein flächendeckendes Netz zum Batteriewechsel vorliegt und somit ein völlig mobiles System existiert, das es erlaubt unabhängig von üblichen fossilen

Kraftstoffressourcen Transporteinheiten bzw. Fahrzeuge mit geeigneten Antriebsvorrichtungen über weite Strecken (bevorzugt 300-700km) anzutreiben.

Die in das Energie-Kreislaufsystem integrierten Lithium- Ionen-Zellen (Batterien) mit Nominalkapazitäten von 6-500 Ah können als elektrochemisch aktive Kathodenschicht Li- interkalierbare Schwermetalloxide und/oder LiFe- oder LiV- phosphate und als elektrochemisch aktives Anodenmaterial Liinterkalierbaren synthetischen oder natürlichen Graphit enthalten .

Als Separator mit Dicken von 10-40μm zwischen Kathode und Anode werden in den Li-Ionen-Zellen mit Elektrolyt getränkte poröse Polyolefin-, Polyfluor- oder keramische Schichten verwendet; Elektrolyte sind vorzugsweise 1 molare Lösungen von Leitsalzen LiPFε, Lioxalatoborat od. ä. in aprotischen Lösungsmitteln, Alkylcarbonate, Dimethoxiethan od. ä .

Die verwendeten Li-Ionen-Zellen können nach Bedarf zu Batterien (parallel od. hintereinander) geschaltet werden.

Zur Sicherstellung einer reibungslosen Batterieaustausches für die auszustattenden Transporteinheiten sind in der Ladestation (IV) bevorzugt eine ausreichende Menge, z.B. 100-10000 Standard Li-Ionen-Zellen (Batterien) vorhanden. Die folgende Tabelle 1 listet Li-Ionen-Zellen auf, die im Parallel- oder Serienverbund für das Energiespeicher- Kreislaufsystem genutzt werden können.

Tabelle 1: Übersicht von Li-Ionen-Zellen, die im EKL-System eingesetzt werden können

* Die Li-Ionen-Zellen Übersicht ist eine zufällige Auswahl verschiedener Zeil-Typen, die für den erfindungsgemäßen Einsatz geeignet sind

** Die Zyklen werden bei 2O ⁰ C und 100% DOD, bis 80%

Nominalkapazität gemessen. DOD = DEPTH OF DISCHARGE

*** Die Zyklenbestimmung erfolgt bei 0,2 C Entladung und

60% Nominalkapazität

**** Die Bestimmung der Spez. Energie Wh/kg erfolgt hier bei 0,1 C in allen übrigen Fällen bei 0,2 C. C ist die C Rate, ein pro Zeiteinheit fließender (Lade- oder Entlade) Strom