Lithium-Ionen-Batterien

Forscher untersuchen, was Batterien schadet

| Redakteur: Katharina Juschkat

Eine Rundzelle im Querschnitt mit einem Schaden in der Elektrodenentwicklung. Forscher untersuchen die Auswirkungen der mechanischen Belastung auf Batterien.
Eine Rundzelle im Querschnitt mit einem Schaden in der Elektrodenentwicklung. Forscher untersuchen die Auswirkungen der mechanischen Belastung auf Batterien. (Bild: Fraunhofer ISC)

Batterien sind schon in der Fertigung und im Betrieb zahlreichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Inwiefern sich diese auf die Lebensdauer auswirken und wie Batterien optimiert werden können, das untersuchen Fraunhofer-Forscher in einem aktuellen Forschungsprojekt.

Geht es um den Einsatz von Lithium-Ionen-Akkus, sind Reichweite, Lebensdauer und Sicherheit die meistdiskutierten Themen in Bezug auf den Einsatz von Lithium-Ionen-Akkus beispielsweise in der Elektromobilität. Bilder von in Brand geratenen Akkus gehen weltweit durch die Presse. Im Fokus für die Anwender steht vor allem die Reichweite bzw Nutzungsdauer – schließlich verlangen Industrieanwender eine Dauer von einen Produktionstag, ohne nachladen zu müssen, und Fahrer von Elektroautos brauchen genug Reichweite, um nicht fernab einer Lademöglichkeit zu stranden.

Welche Einflüsse mechanische Belastungen auf Batterien haben

Eine wichtige Rolle für Lebensdauer und Reichweite spielt die Batteriealterung – also das allmähliche Nachlassen der Ladekapazität über die Nutzungsdauer. Während die Zusammenhänge zwischen Temperatur und Akkuleistungsfähigkeit bzw. -alterung mittlerweile eingehend erforscht sind, weiß man über die Einflüsse mechanischer Belastungen während der Produktion und der Nutzung noch relativ wenig.

Im Rahmen des Ende 2017 gestarteten Verbundprojekts „Revised Batt – Resonanz, Vibration, Schockbelastung, externe Krafteinwirkungen und Detektion für Lithium-Ionen-Batterien“ sollen die kurz- und langfristigen Auswirkungen mechanischer Belastungen auf Batterien aufgeklärt werden. Das Projekt will mechanisch hervorgerufene Alterungseffekte und Schäden in Lithium-Ionen-Batterien und die Vorgänge in den Batteriezellen und -modulen identifizieren und Handlungsempfehlungen für Hersteller und Anwender zu erarbeiten. Damit sollen frühzeitige Schäden in Zukunft vermieden, besonders robuste Zelltypen identifiziert und die Betriebssicherheit wie auch Lebensdauer der Batterien maximiert werden.

Batterie-Schäden treten mit zeitlicher Verzögerung auf

Die Forscher öffnen eine Rundzelle unter Schutzgas. Schäden an Batterien können schon durch die Produktion auftreten.
Die Forscher öffnen eine Rundzelle unter Schutzgas. Schäden an Batterien können schon durch die Produktion auftreten. (Bild: K. Selsam-Geissler / Fraunhofer ISC)

Besondere Herausforderung ist dabei, dass die Folgen mechanischer Belastung in den Batteriezellen teilweise mit erheblicher zeitlicher Verzögerung auftreten und die Erfassung im Betrieb bisher kaum möglich ist. Für ein umfangreiches und möglichst allgemeingültiges Verständnis dieser Effekte werden im Projekt alle gängigen Zelltypen – Rund-, Folien-, und prismatische Zellen in Stahl- oder Aluminiumgehäusen – in realitätsnahen statischen und dynamischen Belastungsszenarien getestet und auf Schäden untersucht. Solche Schäden können beispielsweise durch äußere mechanische Belastungen oder durch die periodischen Druckkraftschwankungen im Inneren der Batteriemodule beim charakteristischen Anschwellen der Zellen während des Ladevorgangs entstehen.

Auch Einflüsse durch die Produktion, beispielsweise die Fügetechnik bei der Herstellung von Batteriezellen, die Verbindungstechnologie für den Batteriemodulaufbau, die notwendige mechanische Kompression der Zellen in den Batteriemodulen und der Einfluss der äußeren Modul- und Zellkonstruktion, werden erforscht. Darüber hinaus sollen neue Methoden zur Online-Schadensdetektion und -lokalisation entwickelt werden, die anschließend in einem Batteriemanagementsystem integriert werden, um möglichst frühzeitig kritische Zustände erfassen zu können.

Koordiniert wird das Projekt vom Fraunhofer FuE-Zentrum Elektromobilität des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC in Würzburg. Beteiligt ist neben weiteren Forschungseinrichtungen auch ein Unternehmenskonsortium, dem Akkuentwickler und -hersteller wie auch Produzenten verschiedener akkubetriebener Produkte angehören – vom Powertool bis zum Elektrofahrzeug. Das Projekt läuft noch bis Herbst 2020 und wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

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