Akkus mit zellinterner Sensorik

Kontinuierliche Elektrodenherstellung via hauseigener Rolle-zu-Rolle-Anlage im Reinraum. (Quelle: Fh.-ISC)

Höhere Effi­zienz, größere Wirtschaft­lichkeit sowie bestmögliche Versorgungs­sicherheit sind zentrale Aufgaben einer nach­haltigen Energie­versorgung. Im gemein­samen Projekt SEEDs bauen das Fraun­hofer-Institut für Inte­grierte Systeme und Bau­elemente­techno­logie IISB, das Fraun­hofer-Institut für Inte­grierte Schaltungen IIS und das Fraun­hofer-Institut für Silicat­forschung ISC eine einzig­artige Forschungs- und Demonstrations­plattform für lokale, intel­ligente Energie­systeme auf, die verschiedene Techno­logien und Energie­formen – Strom, Wärme, Kälte und Wasser­stoff – in einem opti­mierten Gesam­tsystem vereint.

Neben der Entwicklung, Umsetzung und Vali­dierung der Demons­tratoren bilden vier Themen­felder den Forschungs­schwerpunkt im Projekt SEEDs: Gleich­strom-Netze und elektrische Speicher, Versorgungs­netzsimu­latoren, Gas-Strom-Kopplung und Kälte­systeme. Mit über 20-jähriger Erfahrung im Bereich Material- und Komponenten­entwicklung für elektro­chemische Energie­speicher liefert das Fraunhofer ISC dafür nicht nur einen neuen Batterie­prototypen, sondern auch das umfassende Know-how in Bezug auf Charak­terisierung und Analyse von Speicher­modulen und -systemen.

Bisher gibt es in der Forschung jedoch keine umfas­senden Kenntnisse über den genauen Zusammen­hang zwischen der Ver­spannung und ihrer Lebens­dauer. Das Fraun­hofer-FuE-Zentrum für Elektro­mobilität Bayern, Teil des Frau­nhofer ISC, untersucht deshalb anhand von Demonstrator­zellen, wie sich teils inhomo­gene Modul­verspannungen, Druck, Temperatur und Elektrodenpotenzial auf die Lebens­dauer und die Leistungs­fähigkeit einer Batterie auswirken. Dafür entwickeln die Wissen­schaftler „intel­ligente“ Zellen, die diese Einfluss­faktoren ortsauf­gelöst zellintern während des Betriebs messen können.

Die Sensorik wird direkt in die Lithium-Ionen-Zellen integriert. Sie ermittelt konti­nuierlich den Zustand des gesamten Zell­verbunds in Hinblick auf Lade- und Alterungs­verhalten und gibt Auskunft darüber, wie sich ver­schiedene Betriebs­bedingungen auf die Zellen auswirken. Als Druck­messer werden Sensoren verwendet, die sich aufgrund ihrer geringen Bauhöhe ideal für den Einbau in Zell­module eignen und durch Verformung Druck- oder Kraf­teinwirkung messen.

Zur Fertigung der intelli­genten Zellen verfügt das Fraun­hofer ISC über halbauto­matisierte Fertigungs­prozesse unter defi­nierten Klimabe­dingungen. Die Elektroden werden vor Ort konti­nuierlich per Rolle-zu-Rolle-Anlage im Reinraum beschichtet. Zum Vergleich werden Batterie­module aus kommer­ziell erhält­lichen Zellen aufgebaut und im tatsäch­lichen Betrieb getestet. Anschließend soll eine umfang­reiche Post-Mortem-Analyse konstruktions­bedingte lokale Verspan­nungen identi­fizieren. Aus den Resultaten der zell­internen Sensorik­untersuchung und der Post-Mortem-Analyse werden Handlungs­empfehlungen für die Auslegung und Konstruktion von Zellen und Batterie­systemen entwickelt. (Quelle: Fh.-ISC)

Link: Fraunhofer-FuE-Zentrum für Elektromobilität, Würzburg

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