Fraunhofer: Forschung zu metallischen Lithium-Elektroden

Das Fraunhofer IEE befasst sich im Zuge des Projekts „metaLit“ mit metallischen Lithium-Elektroden. Konkret entwickeln die Forscher mathematische Modelle, die künftig Anwendung in sogenannten HiL-Testständen zur Verifizierung von Batteriemanagementsystem-Algorithmen finden sollen.

Zur Einordnung: Batterien mit metallischen Lithium-Elektroden versprechen höhere Energie- und Leistungsdichten, allerdings kann es in diesen Batterien zu elektrochemischen Prozessen kommen, die Sicherheit und Leistung beeinträchtigen. Das Fraunhofer IEE strebt nun an, diese Prozesse mittels mathematischer Modelle zu simulieren. Die Software könne genutzt werden, um die Algorithmen in Batteriemanagementsystemen zu verifizieren. Das erspare teure, aufwändige Tests mit realen Batterien, heißt es in einer begleitenden Mitteilung. Das „metaLit“-Projekt wird vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert und läuft bis zum 30. September 2022.

„Gerade mit Blick auf die Elektromobilität ist das Marktpotenzial von ‚Beyond Lithium Ion’-Batterien enorm groß. Denn mit einer theoretisch höheren Energie- und Leistungsdichte bekommen Elektroautos mehr Reichweite“, äußert Lars Pescara, wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Fraunhofer IEE. Allerdings funktionieren metallische Lithium-Elektroden noch nicht reibungslos, wie die Projektbeteiligten ausführen: Zum einen wachse durch die Reaktion des Lithiums mit dem Elektrolyten eine Schutzschicht an der Elektrode (Solid Electrolyte Interphase, SEI), die wegen des mechanischen Stresses beim (Ent-)Laden der Batterie immer wieder aufgerissen und neu gebildet wird – und so über die Zeit verdickt. Dadurch erhöhe sich der Innenwiderstand und die Zellleistung reduziere sich. Daneben neigen die Batterien zur Bildung von Dendriten, die den Separator in der Batterie durchdringen können.

Diesen Effekten sollen Batteriemanagementsysteme (BMS) entgegenwirken: „Sie haben die Aufgabe, den Betrieb der Batteriepacks so zu steuern, dass das SEI-Wachstum minimiert und die Dendritenbildung vermieden wird. Sollte es aber doch einmal zu einem Defekt kommen, sind die BMS gefordert, diesen frühzeitig zu identifizieren. So können betroffene Batterien ausgetauscht werden, bevor sie ein Sicherheitsrisiko darstellen“, führt das Fraunhofer-Institut aus.

Für diese Aufgaben nutzen die BMS komplexe Algorithmen, die „sorgfältig trainiert und verifiziert werden müssen“. An dieser Stelle setzt das Projekt „metaLit“ an: Die Forscher erarbeiten mathematische Modelle, die beliebige Batteriezustände simulieren können und über eine Hardwarekomponente an das BMS weitergeben. Damit dienten die Modelle als Batterieemulatoren in Hardware-in-the-Loop-Testständen, heißt es in der Mitteilung. So würden die aufwändigen Messungen mit realen Batterien überflüssig. „Das spart Zeit und Geld – und liefert wegen der besseren Reproduzierbarkeit der Daten sogar noch verlässlichere Ergebnisse“, sagt Pescara.

Bei der Emulation der physikalischen und elektrochemischen Vorgänge innerhalb der Batterien können die Forschenden nach eigenen Angaben bereits auf entwickelte Lithium-Ionen-Batteriemodelle für die Simulationssoftware „BaSiS“ des Fraunhofer IEE zurückgreifen. Außerdem arbeitet das Team mit dem Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie (fem) zusammen.
iee.fraunhofer.de, iee.fraunhofer.de (Kurzbeschreibung)