Sichere E-Auto-Batterien, die zugleich eine längere Lebensdauer aufweisen – das versprechen Forschende aus dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) durch ihr neuartiges Verfahren. Die sogenannte dynamische Impedanzspektroskopie erlaubt es den Verantwortlichen um Prof. Fabio La Mantia zufolge erstmals, Messwerte zum Status der Batterie während des laufenden Betriebs zu ermitteln und in Echtzeit verfügbar zu machen. „Die so gewonnenen Informationen umfassen weit mehr als nur Angaben zur Ladekapazität oder der noch verbleibenden Betriebsdauer, sie zeichnen ein präzises, tiefgehendes und differenziertes Bild des Innenlebens der Batterie. Daraus lässt sich auch die mögliche Lebensdauer der Batteriezelle individuell vorhersagen”, heißt es in einer Mitteilung des Fraunhofer IFAM.
Dabei lässt sich die für das Verfahren namensgebende Impedanz selbst gar nicht unmittelbar messen, sondern wird aus dem Verhältnis von Strom und Spannung errechnet. Das Ergebnis gibt Auskunft über den Ladestand (SoC, State of Charge) und erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand des Innenlebens mit Kathoden, Anoden oder Elektrolyten (SoH, State of Health) oder auch den Sicherheitszustand. Genau diese Angaben lassen sich durch das weiterentwickelte Verfahren nun in Echtzeit abrufen. Gegenüber herkömmlichen Ladestandsanzeigen und deren Messungen bietet die dynamische Impedanzspektroskopie nach Aussage der Forschenden mehr und genauere Informationen und das auch noch schneller. „Die dynamische Impedanzspektroskopie eröffnet zunächst neue Möglichkeiten bei der Optimierung des Batteriemanagements und verlängert damit die Lebensdauer der Batterien. Zudem macht sie den Weg frei für den Einsatz der Batterien in sicherheitskritischen Anwendungen”, erläutert Projektleiter Dr. Hermann Pleteit.
Für verschiedene Batterietypen geeignet
Konkret lassen sich aus der Impedanz etwa Rückschlüsse auf die Temperatur innerhalb der Zelle gewinnen. Somit könnten Batteriemanagementsysteme mithilfe der Impedanzdaten während der Fahrt im E-Auto sofort registrieren, wenn eine Zelle sich lokal stark erhitzt. Herkömmliche Temperaturfühler, die laut dem Fraunhofer IFAM ohnehin thermische Probleme häufig nur mit Verzögerung erkennen, würden damit überflüssig. Einen Mehrwert sehen die Forschenden ferner in der Nutzung des Verfahrens in den Ladestationen von E-Autos. Möglich sei beispielsweise die Unterscheidung zwischen besonders schnellem Laden – wie an einer Raststätte – und langsamerem, aber schonendem Laden an der heimischen Wallbox.
Um alle erforderlichen Daten zu gewinnen, sind jedoch aufwendige Messungen und Analyseverfahren erforderlich. So wird dem Entlade- oder dem Ladestrom ein Mehrfrequenz-Prüfsignal überlagert, wobei das Antwortsignal von Strom und Spannung bis zu einer Million Mal pro Sekunde gemessen wird. Alle ermittelten Werte fließen in eine simultan ablaufende Datenverarbeitung. „Wir haben Algorithmen entwickelt, die die Datenmengen vor der Analyse deutlich reduzieren, ohne dabei die Informationen zu verfälschen”, führt Pleteit aus.
Auf dieser Basis könnte die Fraunhofer-Technik wie bereits angedeutet auch in anderen Bereichen Verwendung finden. „Solche Systeme könnten etwa in umweltfreundlichen Elektroflugzeugen eingesetzt werden. Dieser Markt beginnt sich gerade zu entwickeln. Auch in der Schifffahrt zeigen die Hersteller Interesse”, so der Projektleiter. Nutzungsmöglichkeiten ergeben sich laut den Verantwortlichen darüber hinaus auch für die Erzeugung erneuerbarer Energien. „Die Impedanzspektroskopie ist dabei nicht nur für die derzeit üblichen Lithium-Ionen-Akkus geeignet, das Verfahren eignet sich auch für Batterietypen auf Feststoff-, Natrium-Ionen- oder Lithium-Schwefel-Basis oder weitere zukünftige Technologien”, betonen die Forschenden abschließend.