BEZPIECZNE I NIEZAWODNE MAGAZYNY ENERGII DLA ELEKTROMOBILNOŚCI

Transkrypt

1 BEZPIECZNE I NIEZAWODNE MAGAZYNY ENERGII DLA ELEKTROMOBILNOŚCI Innowacyjne technologie materiałowe strategią na zabezpieczenie łańcucha wartości i uzyskanie przewag konkurencyjnych Marcin Molenda Prezes Zarządu MarCelLi Adv Tech Sp. z o.o. Wojciech Zając, Janina Molenda Akademia Górniczo-Hutnicza, Centrum Energetyki

2 MarCelLi Adv Tech Sp. z o.o. MarCelLi Adv Tech Sp. z o.o. jest start-up em technologicznym (spin-off) powołanym w 2014 roku przez pracowników Uniwersytetu Jagiellońskiego przy współudziale polskiego węzła Wspólnoty Wiedzy i Innowacji InnoEnergy Europejskiego Instytutu Technologicznego - KIC InnoEnergy SE oraz Akademii Górniczo-Hutniczej. Spółka prowadzi działalność w obszarze rozwoju i komercjalizacji technologii materiałowych do zastosowań w akumulatorach litowo-jonowych (Li-ion), w szczególności wykorzystywanych w systemach magazynowania energii (ESS) o dużej pojemności i mocy oraz w elektromobilności (pojazdy EV, ebus, stacje ładowania). Przedmiotem komercjalizacji jest innowacyjna technologia nanokompozytowego materiału katodowego do akumulatorów Li-ion klasy premium, oparta na nanostrukturalnym LiFePO 4 (nano-lfp) pokrytym przewodząca nanopowłoką węglową (CCL). Technologia łączy w sobie dwa chronione patentami wynalazki opracowane na UJ oraz AGH. MarCelLi Adv Tech Sp. z o.o. posiada licencje wyłączne na powyższe wynalazki. Process of fabrication of crystalline nanometric lithium transition metal phosphate Sposób otrzymywania krystalicznego nanometrycznego litowego fosforanu metalu przejściowego - Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie - J. Molenda, W. Zając, A. Kulka - P ; PCT/PL2015/000037; WO 2015/ A1 nano-lfp Process for the preparation of conductive carbon layers on powdered supports Sposób wytwarzania przewodzących warstw węglowych na nośnikach proszkowych - Uniwersytet Jagielloński w Krakowie - M. Molenda, R. Dziembaj, A. Kochanowski, E. Bortel, M. Drozdek, Z. Piwowarska - PL PAT B1; US 8,846,135 B2; JP B2; KR ; EP CCL

3 Technology Energy Power Application

4 Akumulatory Li-ion Autobusy Większa pojemność, większa moc Niższe koszty Pociągi nowej generacji 1990 Dziś Bliska przyszłość Duże elektrownie wiatrowe i solarne Broń elektromagnetyczna

5 bln USD TAM Li-ion 50 EV ESS Electric vehicles Energy storage % y/y ~20 bln. USD (2024) 35% y/y ~15 bln. USD (2024) EU: 700 GWh overal demand of energy storage for EV & ESS (99 EU production: 1,5 GWh/y & ~8,5 GWh/y (under construction) worldwide production: ~40 GWh/y & ~120 GWh/y (under construction)

6 Potrzeby rynku - wymagania ESS EV niski koszt wytworzenia bezpieczeństwo użytkowania (stabilność chemiczna i termiczna materiałów) wysoka gęstość energii (iloczyn napięcia i pojemności) krótki czas ładowania/rozładowania długi czas użytkowania (wymagane 10 lat w zmiennych warunkach klimatycznych od -40 C do +40 C)

7 Budowa akumulatora Li-ion Koszt materiału katodowego stanowi do % kosztu akumulatora regulator obwodu elektrycznego sensor temperatury obudowa Parametry użytkowe akumulatora zależą od właściwości materiału katodowego pojedyncze ogniwo

8 Zasada działania akumulatora Li-ion

9 Materiały elektrodowe stosowane w Li-ion Nazwa LCO LNO NCA NMC LMO LFP LTO Katoda LiCoO 2 LiNiO 2 Li(Ni 0,85 Co 0,1 Al 0,05 )O 2 Li(Ni 0,33 Mn 0,33 Co 0,33 )O 2 LiMn 2 O 4 LiFePO 4 Np. LMO,NCA Anoda Grafit Grafit Grafit Grafit Grafit Grafit Li 4 Ti 5 O 12 Napięcie (V) 3,7-3,9 3,6 3,65 3,8-4,0 4,0 3,3-3,4 2,3-2,5 Gęstość Energii (Wh/kg) Moc + o + o Bezpieczeństwo - o o o Okres użytkowania - o o o o Cena ($/kg) Zastosowanie IT, power tools High-end IT, power tools Low-end IT, Power tools, xev, ESS Power tools, xev, ESS Power tools, xev, ESS LFP jest optymalnym układem dla zastosowań ESS i xev

10 okno elektrochemiczne elektrolitu LiFePO 4 (LFP) - czy opanuje rynek? R Fe-Fe = 4Å! E Li PO 4 FeO 6 Fe 3+ /Fe 2+ : 3d V LiFePO 4 Li + Fe 4+ /Fe 3+ : 3d 5 (010) Zalety: wysokie napięcie 3,4 V wysoka pojemność 170 mah/g wysoka stabilność przyjazny środowisku tani bardzo niskie przewodnictwo jonowo-elektronowe w 300K 10-9 S cm -1 bardzo niskie gęstości prądu ogniwa

11 LFP TAM Low 2020 High Total LFP Share Total LFP Share Total LFP Share Total LFP Share GWh % GWh GWh % GWh GWh % GWh GWh % GWh xev 4 4 0,16 24,3 14 3,402 55, , , ,935 e-bikes 0, ,0015 0, ,03 1,6 30 0,48 1,6 30 0,48 ESS-LiB 0, , ,3 32 0,736 10,4 51 5,304 10,4 51 5,304 TOTAL 4,0 0,2 26,8 4,2 67,1 17,9 152,5 43,7

12 Polska Innowacyjna Technologia Akumulatorów Litowo-jonowych NCBiR InnoCHEM POIR /16 całkowita kwota wydatków kwalifikowalnych PLN dofinansowanie NCBiR PLN (71,6%) wkład własny PLN (28,4%) okres realizacji:

13 Technologia & Innowacja Actual technology Specially shaped LiFePO 4 nanocrystallites (nano-lfp) Self-assembled Conductive Carbon Layers (CCL) 3-4 nm

14 Samoorganizujące się przewodzące warstwy węglowe CCL IntelLiSafe & IntelLiPower e - Li + e - Li +

15 Przewagi konkurencyjne IntelLiSafe & IntelLiPower BEZPIECZEŃSTWO MOC POJEMNOŚĆ TRWAŁOŚĆ 3-4 nm NIŻSZY KOSZT

16 POLiON Roadmap NewMat Project pcs/y 75 kwh/y 3-4 EV packs BCS Signed:

17 Proces technologiczny IntelLiMat, IntelLiBat, IntelLiPack produkcja nano-lfp surowce produkcja nanokompozytu CCL/LFP montaż ogniw montaż pakietów sprzedaż produktu produkcja prekursora CCL

18 Proces technologiczny Li-ion 18650

19 Testy technologii CCL: nanokompozyt CCL/nano-LFP Li/Li + /(C/LiFePO 4 ) CR V 1MLiPF 6 (EC/DMC=1/1) IntelLiSafe & IntelLiPower smart material internal over-current protection

20 Capacity [mah/g] Coulombic efficiency Testy technologii CCL: nanokompozyt CCL/nano-LFP IntelLiSafe & IntelLiPower Li/Li + /(C/LiFePO 4 ) CR V 1MLiPF 6 (EC/DMC=1/1) theoretical capacity [170 mah/g] C/5 C/5 after 100 cycles coulombic efficiency discharge capacity Cycle number Capacity [mah/g]

21 Przewagi konkurencyjne: benchmark technologii IntelLiSafe & IntelLiPower Główne słabości obecnie produkowanych ogniw Li-ion przeznaczonych do ESS i EV ograniczone bezpieczeństwo użytkowania: bardzo niska odporność na przegrzanie, przeciążenie i zwarcie ogniwa ograniczona żywotność ogniwa, niestabilność parametrów pracy ogniwa w czasie eksploatacji, wysoki koszt systemów zarządzania (BMS) pakietem ogniw stosowanie drogich i toksycznych składników w katodach ogniw (kobalt, nikiel) Specyficzne parametry i przewagi ogniw MarCelLi z technologią POLiON wysokie bezpieczeństwo: samoistna odporność ogniwa na przeciążenie i zwarcie oraz odporność na przegrzanie ogniwa wynikająca z doskonałego rozpraszania ciepła w nanokompozycie katodowym ( smart material ) zwiększona o 10% pojemność ogniwa oraz wydłużony o 30 % cykl życia ogniwa przy zachowaniu stabilności parametrów pracy w stosunku do obecnych ogniw z materiałem LFP wynikająca z powyższych cech możliwość znacznego uproszczenia systemów BMS wykorzystanie w ogniwach i procesie produkcji tanich i nie toksycznych materiałów porównywalny koszt produkcji w stosunku do obecnych ogniw LFP technologia POLiON pozwala na rzeczywiste wykorzystanie teoretycznego potencjału materiału LFP

22 Przewagi konkurencyjne: benchmark produktowy

23 Przewagi konkurencyjne: benchmark produktowy

24 Ryzyko vs. Przewagi konkurencyjne MINIMALIZOWANIE RYZYKA ZAPEWNIENIE PRZEWAG KONKURENCYJNYCH Wykorzystanie technologii komercyjnych: Wdrożenie innowacyjnych technologii: materiałowych montaż pakietów procesowych ogniwa komercyjne materiały komercyjne Opracowanie innowacyjnych rozwiązań: funkcjonalnych systemowych

25 Łańcuch wartości Typowy

26 Mechanizm innowacji - relacje INNOWACJA SYSTEMOWA INFRASTR. PRZEM. KAPITAŁ WDROŻENIE PRODUKCJA POTENCJAŁ INTELEKT. DOŚWIADCZENIE* KADRA* B. PRZEMYSŁOWE P. ROZWOJOWE KNOW-HOW IPR INNOWACJA PRODUKTOWA INFRASTR. BADAWCZA DOŚWIADCZENIE KADRA B. PODSTAWOWE B. APLIKACYJNE OCHRONA IPR ** * Zespół MarCelLi od 35 lat prowadzi badania w obszarze technologii Li-ion ** Badania inicjowane przez MarCelLi Adv Tech Sp. z o.o.

27 Cel uruchomienie produkcji ogniw litowych w Polsce opartej na rodzimych technologiach Saft Factory, Jacksonville, Floryda (ARRA, DOE, NETL)

28 przewaga dzięki wiedzy MarCelLi Adv Tech Sp. z o.o. ul. Czerwone Maki 84, Kraków marcin.molenda@kic-innoenergy.com