Spartacus: Sensoren als Überwacher des Batteriezustands

Das Projekt „Spartacus“ befasst sich seit Kurzem mit der Entwicklung von fortschrittlichen Sensoren und Zellmanagementsystemen für Batterien. Die Forscher hoffen, dadurch Ladezeiten um bis zu 20 Prozent reduzieren zu können, ohne dass die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Batterien beeinträchtigt wird.

Spartacus – die Abkürzung steht für „Spatially resolved acoustic, mechanical and ultrasonic sensing for smart batteries“. Die Europäische Union finanziert das Projekt als Teil der Forschungsinitiative „Batterie 2030+“. Projektkoordinator ist Gerhard Domann vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung in Würzburg. „Elektrofahrzeuge sind schon heute schnell und leise, aber ein großes Manko ist bisher die lange Ladezeit im Vergleich zu Fahrzeugen, die mit fossilen flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen betankt werden“, skizziert Domann die Ausgangssituation. Bisher seien es vor allem Batteriechemie und -konstruktion sowie das dazugehörige Batteriemanagementsystem, die ein schnelleres Laden verhinderten, um die Batterien vor vorzeitiger Alterung zu schützen.

Zurzeit sorgt das integrierte Batteriemanagementsystem also für einen moderaten Betriebsmodus, der nicht alle Leistungsreserven der Batterie ausschöpft. Dieses Potenzial will das Projektkonsortium von Spartacus nutzen. Dabei setzen die Forscher auf neuartige integrierte Sensoren zur Überwachung des tatsächlichen Batteriezustands, um die Batterie zu schützen. Konkret wollen sie eine „multifunktionelle Sensor-Array-Technologie für Batterien entwickeln, die den Batteriemanagementsystemen die relevanten Daten für ein zustandsabhängig optimales Laden und Entladen übermittelt“, teilt das Fraunhofer-Institut ISC mit. Das Projekt fokussiere sich auf mechanische und akustische Sensoren, ergänzt durch elektrochemische Impedanzmessungen und Temperatursensorik.

„Mit der Spartacus-Sensorik sollen Fehler und negative Einflüsse auf die Batterielebensdauer und –Leistungsfähigkeit frühzeitig entdeckt werden. Auf Basis der Sensordaten kann dann das Batteriemanagementsystem die Lade- und Entladevorgänge entsprechend steuern, um der vorzeitigen Batteriealterung entgegenzuwirken und negative Einflüsse so gut wie möglich auszuschalten“, führt Gerhard Domann aus. Das Fraunhofer ISC bringe dabei seine Expertise im Bereich der Entwicklung intelligenter Sensoren und in der Analyse der Alterungsvorgänge in Batteriekomponenten ein.

„Die Ursachen vorzeitiger Batteriealterung beschäftigen uns schon seit langem und wir haben in einer Vielzahl von Projekten unsere Methodik verfeinert, um diese Vorgänge aufzuklären und Lösungsansätze zu finden“, berichtet Teilprojektleiter Jochen Settelein vom Fraunhofer ISC. Wichtige Vorarbeiten im Bereich der intelligenten Sensorik hätten zu neuen Lösungsansätzen geführt, die auf der akustischen und mechanischen Überwachung mit Ultraschall- und Elastomersensoren basieren, um damit mechanischen Stress und Veränderungen in der Batteriezelle zu detektieren. Darauf soll im Projekt Spartacus aufgebaut werden.

Neben dem Fraunhofer-Institut ISC sind an Spartacus die Forschungseinrichtungen CEA aus Frankreich, das CSEM aus der Schweiz, die Vrije Universität Brüssel und die Fundacion Cidetec aus Spanien beteiligt. Aus der Industrie sind Arkema und ElringKlinger mit an Bord. Die EU stellt für das bis Ende August 2023 laufende Projekt gut 3,8 Millionen Euro bereit.

Spartacus ist im September zusammen mit sechs weiteren Projekten im Zuge der europäischen Forschungsinitiative BATTERY 2030+ angelaufen. Das sektorübergreifende Großprojekt gehört zu den umfangreichen Initiativen auf diesem Feld. Es ist Teil der Europäischen Batterie-Allianz, die Maroš Šefčovič, Vizepräsident der Europäischen Kommission, 2017 ins Leben gerufen hatte.

BATTERY 2030+ wurde im März 2019 angestoßen und bringt Akteure aus der wissenschaftlichen sowie industriellen Batterieforschung und -technik zusammen. Die Kerngruppe umfasst 17 Organisationen aus neun europäischen Ländern, die Koordination liegt bei Kristina Edström, Professorin für Anorganische Chemie an der Universität Uppsala. Im April hatte die Gruppe die langfristige Roadmap für die Entwicklung nachhaltiger Batterietechnologien vorgestellt.
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