Auf Lithium-Ionen-Batterien wirkt während ihrer Lebensdauer eine Vielzahl von schädlichen Einflüssen ein. Bereits bei der Produktion und dem Transport werden sie mechanischen Belastungen ausgesetzt. Im Betrieb, z. B. in Powertools, elektrisch angetriebenen Gabelstaplern, Elektroautos oder auch bei der Bahn, kommen Vibrationen, Stöße oder Schockimpulse beim Überfahren von Hindernissen oder beim Herunterfallen sowie Volumenänderungen der Batterieelektroden beim Laden und Entladen hinzu. Wie sich diese mechanischen Beanspruchungen auf Sicherheit und Lebensdauer von Batterien auswirken und wie Batterien in dem Zusammenhang optimiert werden können, untersucht das Ende 2017 gestartete Forschungsprojekt »ReViSEDBatt«.

Reichweite, Lebensdauer und Sicherheit – dies sind – neben den Kosten – 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 das Thema der Nutzungsdauer bzw. Reichweite – schließlich verlangen z. B. Industrieanwender eine »Reichweite« von einen Produktionstag, ohne nachladen zu müssen, und Fahrer von Elektroautos brauchen genug Reichweite, um nicht fernab einer Lademöglichkeit zu stranden.

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 »ReVisedBatt – Resonanz, Vibration, Schockbelastung, externe Krafteinwirkungen und Detektion für Lithium-Ionen-Batterien«, gefördert durch das 6. Energieforschungsprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), sollen die kurz- und langfristigen Auswirkungen mechanischer Belastungen auf Batterien aufgeklärt werden. Koordiniert wird das Projekt vom Fraunhofer FuE-Zentrum Elektromobilität des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC in Würzburg. Beteiligt ist neben weiteren namhaften Forschungseinrichtungen auch ein breit aufgestelltes Unternehmenskonsortium, dem Akkuentwickler und -hersteller wie auch Produzenten verschiedener akkubetriebener Produkte angehören – vom Powertool bis zum Elektrofahrzeug. Ziel des Projekts ist es, mechanisch hervorgerufene Alterungseffekte und Schäden in Lithium-Ionen-Batterien und die zugrundeliegenden Vorgänge in den Batteriezellen und -modulen zu identifizieren, sowie 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.

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.

Mehr Informationen erhalten Sie auf der Webseite des Fraunhofer FuE Zentrums Elektromobiltät Bayern FZEB