Fraunhofer-Forschungsprojekt Batterien mit zellinterner Sensorik

Kontinuierliche Elektrodenherstellung via hauseigener Rolle-zu-Rolle-Anlage im Reinraum.

Von einer nachhaltigen Energieversorgung sind wir derzeit noch weit entfernt. Doch es gibt zahlreiche Forschungsprojekte, die an der Effizienz, der Wirtschaftlichkeit und der Versorgungssicherheit der Energieversorgung arbeiten. Eines davon ist das Projekt SEEDs.

Im Gemeinschaftsprojekt 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 Forschungs- und Demonstrationsplattform für lokale, intelligente Energiesysteme auf, die verschiedene Technologien und Energieformen – Strom, Wärme, Kälte und Wasserstoff – in einem optimierten Gesamtsystem vereint. Ein Fokus liegt dabei auf den erneuerbaren Energien.

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. Das Fraunhofer ISC, das auf langjährige Erfahrung im Bereich Material- und Komponentenentwicklung zurückgreifen kann, steuert dem Projekt neben einem neuen Batterie-Prototypen auch sein Know-how bezüglich der Charakterisierung und Analyse von Speichermodulen und -systemen bei.

Verspannung und Lebensdauer

Bisher gibt es in der Forschung jedoch keine umfassenden Kenntnisse über den genauen Zusammenhang zwischen der Verspannung – also wie und mit welcher definierten Kraft die Elektroden in der Batteriezelle verspannt sind – und ihrer Lebensdauer.

Das Fraunhofer-FuE-Zentrum für Elektromobilität Bayern, Teil des Fraunhofer ISC, untersucht deshalb anhand von Demonstratorzellen, wie sich (eventuell inhomogene) Modulverspannungen, Druck, Temperatur und Elektrodenpotenzial auf die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit einer Batterie auswirken. Dafür entwickeln die Wissenschaftler Zellen, die in der Lage sind, diese Einflussfaktoren ortsaufgelöst zellintern während des Betriebs zu messen.

Die Sensorik wird direkt in die Lithium-Ionen-Zellen integriert. Sie ermittelt kontinuierlich den Zustand des gesamten Zellverbunds im Hinblick auf Lade- und Alterungsverhalten und gibt Auskunft darüber, wie sich verschiedene Betriebsbedingungen auf die Zellen auswirken. Als Druckmesser werden Sensoren mit geringer Bauhöhe in die Zellmodule eingebaut, die die Druck- oder Krafteinwirkung durch Verformung messen.

Halbautomatisierte Fertigungsprozesse

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 Sensorik-Untersuchung und der Post-Mortem-Analyse werden dann Handlungsempfehlungen für die Auslegung und Konstruktion von Zellen und Batteriesystemen entwickelt.

Das Projekt »SEEDs – Aufbruch in die industrielle Energiewende – Intelligente Nutzung von Energie in KMUs« wird vom Bayerischen Wirtschaftsministerium im Programm »Aufbruch Bayern« gefördert.