Fraunhofer: Spartacus macht Batterien Leistungsfähiger

Batterien spielen einen immer größeren Teil in unserem Leben, sei es im ElektrAuto, E-Scooter oder im Smartphone, allerdings lässt die Haltbarkeitsdauer der Energiespeicher oft zu wünschen übrig.

In dem Greentech-Forschungsprojekt Spartarcus nutzen nun Forscher*innen des Frauenhofer ISC verschiedene Sensoren, um mit deren Hilfe den internen Status der Batteriezellen beobachten zu können. Durch die Sensoren ist es möglich das Batteriemanagement-System, Lade- und Entlade-Prozesse und die Belastung einzelner Zellen im Batteriemodul zu optimieren.

So ist es möglich das Aufladen der Energiespeicher zu beschleunigen und zusätzlich die Lebensdauer zu verlängern.

Greentech: Batterien als unkomplizierte Helfer

Im Hightech-Zeitalter gelten Batterien als unkomplizierte Helfer. Sie lassen morgens den Wecker läuten, versorgen Smartphones mit Energie und helfen dem mobilen Bluetooth-Lautsprecher beim Musikmachen. Zudem treiben sie E-Autos und E-Scooter an und spielen damit eine entscheidende Rolle in der Mobilitätswende.

Ist der Akku einmal leer, wird er wieder aufgeladen. Doch das simple Nutzungskonzept steht im Gegensatz zum erstaunlich komplexen Innenleben der Batterien. Das bietet viel Potenzial zur Leistungssteigerung und zur Verlängerung der Lebenszeit.

Forschende des Fraunhofer ISC in Würzburg wollen dieses Potenzial besser nutzen. Gemeinsam mit Projektpartnern arbeiten die Fraunhofer-Experten und -Expertinnen im Rahmen einer europaweiten Forschungsinitiative im Projekt Spartarcus an einer Technologie, bei der Sensoren den Status der Batteriezelle registrieren. Mit Hilfe dieser Daten kann das integrierte Batteriemanagement-System die Lade- und Entladeströme optimal steuern.

Sensoren überwachen und messen die Vorgänge bei Cleantech-Projekt

Das Konzept von Spartarcus (Spatially resolved acoustic, mechanical and ultrasonic sensing for smart batteries) macht sich das Phänomen zunutze, dass in der Batteriezelle eine Reihe komplexer elektrochemischer und physikalischer Vorgänge ablaufen. Die am Fraunhofer ISC eingesetzten akustischen, mechanischen und thermischen Sensoren überwachen und messen die Vorgänge.

Ultraschall-Sensoren etwa senden Schallimpulse aus, die verschiedene Schichten der Batteriezellen durchqueren und wieder von Sensoren detektiert werden. Wenn sich nun beispielsweise eine Zelle beim Laden ausdehnt oder ein Defekt an einer Elektrode auftritt, wirkt sich dies auf die Laufzeit des Schallsignals aus.

Auf diese Weise entsteht eine Art Sonogramm der Batteriezelle. Ebenso wichtig: die druckempfindlichen, mechanischen Sensoren. Sie registrieren, wie bestimmte Komponenten während des Auf- oder Entladens ihr Volumen ändern. Thermische Sensoren wiederum messen die Temperaturänderungen.

Verlängerung der Lebensdauer

Die daraus resultierende Verlängerung der Lebensdauer lohnt sich nicht nur bei Akkus von E-Autos, in denen mehrere 100, manchmal sogar mehr als 1000 einzelne Zellen verbaut sind, sondern auch bei stationären Systemen.
Analyse der Alterungsprozesse

Doch es gibt noch mehr Effekte, die von den Sensoren beobachtet werden. Der mechanische Stress bei der Nutzung und die natürlichen Alterungsprozesse hinterlassen Spuren im empfindlichen Innenleben der Zellen.

Bei den Elektroden der Batteriezelle führt das möglicherweise zu Rissen und zum Ablösen der Graphitschicht oder es bilden sich baumartige Metallstrukturen an der Außenseite der Elektroden, sogenannte Dendriten.

All diese Phänomene schwächen die Leistung und können im Extremfall einen Kurzschluss in der Zelle erzeugen, der zu einem Batteriebrand führen kann. »Das multifunktionale Sensor-Array hilft uns dabei, die komplexen elektrochemischen Vorgänge in der Batterie besser zu verstehen und das Batteriemanagement entsprechend anzupassen«, sagt Domann.

Das Fraunhofer ISC verfügt über langjährige Erfahrung in der Elektrochemie, aber auch bei der Entwicklung von Sensoren und in der Batterietechnik. Diese Expertise floss in die Entwicklung der multifunktionalen Sensor-Arrays ein.

Das zweite Leben der Batterie

Die in Spartarcus entwickelte Sensor-Technologie kann für den gesamten Lebenszyklus eines Batterieprodukts eingesetzt werden. Bereits in der Konstruktion und Entwicklung hilft sie beim Optimieren der Qualität. In der Produktion gewährleisten Ultraschallsensoren, dass das fertige Produkt im optimalen Zustand vom Band läuft.

Die Technologie ist künftig nicht nur für Lithium-Ionen-Akkus einsetzbar, sondern lässt sich beispielsweise auch auf Festkörperbatterien oder Lithium-Schwefel-Akkus anwenden.

Das Fraunhofer ISC und seine Projektpartner haben die Funktionsfähigkeit und Praxistauglichkeit der Technologie bereits erprobt. Im nächsten Schritt arbeitet das Forscher-Team an der konkreten Umsetzung und entsprechenden Prototypen.

Spartarcus ist kein isoliertes Projekt. Es ist Teil der groß angelegten EU-Forschungsinitiative Battery 2030+, die sich zum Ziel gesetzt hat, die Nachhaltigkeit und Leistungsfähigkeit von Batterien in Europa für verschiedene Anwendungsszenarien deutlich zu verbessern.