Forschungsprojekt „Batteriesensor“ will Zelldicke auswerten

Forschende der Uni Stuttgart versuchen im Rahmen des Projekts „Batteriesensor“, die Volumenveränderungen in Batteriezellen messtechnisch zu erfassen und daraus wichtige Batteriezustandsgrößen wie den Ladezustand, die Alterung und die Leistungsfähigkeit abzuleiten.

Moderne Lithium-Ionen-Zellen seien keine statischen Objekte, führt die Universität Stuttgart in ihrer Mitteilung aus. „Sie verhalten sich bei Benutzung vielmehr dynamisch und verändern beim Laden und Entladen aufgrund von chemisch-physikalischen Vorgängen auf atomarer Ebene ihre Abmessungen“, heißt es dort. „Gleiches passiert auch beim Altern, wenn irreversible Änderungen der Materialstruktur von Elektroden auftreten, die zu einer Dickenänderung der gesamten Batterie führen.“

Genau das will sich ein Forscherteam zunutze machen: In dem Projekt „Batteriesensor“ will die Forschungsgruppe „Elektrische Energiespeichersysteme“ unter der Leitung von Kai Peter Birke diese Volumenschwankungen messen und daraus wichtige Batteriezustandsgrößen wie den Ladezustand, die Alterung und die Leistungsfähigkeit ableiten.

Konkret bedeutet das: „Zum einen wollen wir einen robusten, mechanischen Messaufbau für die Dehnungsmessung entwickeln“, sagt Porjektkoordinatorin Jessica Hemmerling. „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.“

Die Änderungen an der Form der getesteten Rundzellen erscheinen auf den ersten Blick marginal, aber bei 100-facher Vergrößerung wird deutlich, dass die Rundzelle nicht mehr rund ist – mit steigendem Ladestand nimmt die Verformung zu. „Tatsächlich können Zellen mit der Zeit Formen annehmen, die bei vergrößerter Darstellung an die Oberfläche einer Kartoffel erinnern“, sagt Hemmerling.

Die Beobachtungen der Forschenden sollen nicht nur für die Idee des Projekts, also die Rückschlüsse auf den Zustand der einzelnen Zelle, verwendet werden, sondern auch für die Verbesserung des Zell- und Moduldesigns: Werden die Zellen in den Modulen zu dicht gepackt, kann die Ausdehnung einer Zelle Druck auf die umliegenden Zellen ausüben – und so zu deren schnelleren Alterung oder sogar deren Ausfall führen, so die Universität.

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 (Förderkennzeichen ZF4370703LT9). Projektpartner sind die Firmen sSemtec Sensor Technology GmbH, Ansmann AG und die Birkle IT AG.
uni-stuttgart.de