Forschende der Universität Stuttgart nutzen Volumenveränderungen in Batteriezellen, um deren Ladezustand, Alterung und Leistungsfähigkeit vorherzusagen. Das Verständnis darüber dient der Verbesserung des Zell- und Moduldesigns.
Kumulierte Ausdehnung des Zellradius über einen Lade- und Entladezyklus hinweg (CT-Bild des Innenlebens der Batteriezelle).
Universität Stuttgart / IPV
Forschende der Universität Stuttgart versuchen im Rahmen des Projekts "Batteriesensor", die Volumenschwankungen in Batteriezellen messtechnisch zu erfassen. Daraus wollen sie wichtige Batteriezustandsgrößen wie den Ladezustand, die Alterung und die Leistungsfähigkeit ableiten. Die Kenntnis dieser Messwerte sei wichtig, um Elektrofahrzeuge zuverlässig betreiben zu können, so die Wissenschaftler.
Von Dickenänderungen auf Batteriezustände schließen
Lithium-Ionen-Batteriezellen sind keine statischen Objekte, sondern verhalten sich bei Benutzung dynamisch und verändern beim Laden und Entladen aufgrund von chemisch-physikalischen Vorgängen auf atomarer Ebene ihre Abmessungen. Auch irreversible Änderungen der Materialstruktur von Elektroden können zu einer Dickenänderung der gesamten Batterie führen, wenn diese altert.
Mit diesem Wissen im Blick verfolgt das Projekt mehrere Ziele. "Zum einen wollen wir einen robusten, mechanischen Messaufbau für die Dehnungsmessung entwickeln", erklärt Jessica Hemmerling, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart (IPV) und Koordinatorin des Projekts. "Und zum zweiten setzen wir gezielt künstliche Intelligenz ein, um aus sehr komplexen reversiblen und irreversiblen Dickenänderungen von zylindrischen Zellen auf die entsprechenden Batteriezustände rückschließen zu können."
Kartoffelartige Oberflächen
Laut den Forschenden habe das Projekt bereits neue Erkenntnisse über lokale und unerwartete Dickenänderungen ergeben. "Tatsächlich können Zellen mit der Zeit Formen annehmen, die bei vergrößerter Darstellung an die Oberfläche einer Kartoffel erinnern", sagt Hemmerling. Sind in sogenannten Batteriemodulen mehrere Zellen dicht aneinander gepackt, könnten diese Dickenschwankungen durchaus zum Problem werden: Denn die Ausdehnung der einen Zelle übe Druck auf die umliegenden Zellen aus und könne so zu deren schnelleren Alterung und sogar zu deren Ausfall führen. Die lokalen Dickenschwankungen und ihr Verständnis seien daher sehr wichtig für das künftige Design von Zellen beziehungsweise Zellmodulen.
Projekt "Batteriesensor"
Das Projekt Batteriesensor wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) mit rund 190.000 Euro auf 2,5 Jahre gefördert. Projektpartner sind die Firmen Scemtec Sensor Technology GmbH, Ansmann AG und die Birkle IT AG.