Resonanzen, Vibrationen, Schockbelastung, externe Krafteinwirkung und Detektionsmethoden für Lithium-Ionen-Batterien

Das Projektziel ist es, anhand realitätsnaher Szenarien (Automotive, Material Handling, Bahn, Logistik/Transport, Powertools) fundierte Aussagen über den Einfluss von mechanischen Betriebslasten (periodisch, dynamisch, statisch) auf die Zellalterung und -sicherheit aller gängiger Zellformate der Lithium-Ionen-Technologie zu treffen. Die Erkenntnisse auf Zellebene dienen als Grundlage für die Untersuchung von Modulen. Es sollen die Wirkmechanismen einer kombinierten elektrochemisch-mechanischen Alterung aufgeklärt und Handlungsempfehlungen zur Verbesserung der Zellen sowie der Module inkl. Kontaktierung, Verspannung und des Batteriemanagementsystems (BMS) für Transport und Betrieb abgeleitet werden. Für Hoppecke als ein Industriepartner ist die Aufklärung der oben genannten Wirkungskette für die Bereiche Material Handling, Bahn und Logistik/Transport von maßgeblicher Bedeutung. Die Zuordnung von charakteristischen Belastungsklassen zu Fehlerbildern soll als Grundlage dienen für die Entwicklung von geeigneten Maßnahmen hinsichtlich der Optimierung von Batteriesystemen.

Das geplante Vorhaben ist in 5 Arbeitspakete unterteilt, wobei Hoppecke schwerpunktmäßig in den Arbeitspaketen 1, 4 und 5 tätig ist. In AP1 werden die Prüflinge sowie die Testprozeduren für die folgenden Arbeitspakete definiert. Hierbei liegt der Fokus auf realistischen Testszenarien für die Untersuchungen zur Aufklärung der Wirkmechanismen einer elektrochemisch-mechanischen Alterung. In AP2 werden darauf aufbauend die periodischen, in AP3 die dynamischen und in AP4 die statischen Belastungen auf die verschiedenen Zelldesigns und deren Auswirkung auf die Alterung untersucht. Im abschließenden AP5 werden neuartige Detektionsmethoden für die untersuchten Schadensszenarien erarbeitet. Ziele sind die Detektion von Schädigungen vor Erreichen eines kritischen Zustands, deren Lokalisation sowie die Überführung in hochintegrierten Batterie-Management-Systemen (BMS).

Quelle: https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/?op=enargus.eps2&q=%2201178857/1%22&v=10&id=333845 (jüngster Zugriff: 30.08.2024)

Die im Projekt untersuchten mechanischen Belastungen können zu einer vorzeitigen Schädigung der Batteriezellen (Verkürzung der Lebensdauer, Nutzungsdauer) und zu akuten oder auch zeitverzögerten sicherheitskritischen Ereignissen führen. Das Verständnis der zugehörigen Zusammenhänge bildet daher eine wesentliche Grundlage für die Entwicklung neuer Modul- und Zellkonzepte sowie generell von Sicherheitskonzepten für elektrochemische Energiespeicher der Lithium-Ionen-Technologie.

Im Teilvorhaben werden insbesondere in den im Folgenden genannten Bereichen Erkenntnisse erwartet: (i) Verständnis der Einflüsse realitätsnaher Belastungsszenarien sowie Resonanzfrequenzen auf Zellen und Module, (ii) Quantifizierung und Optimierung des Einflusses der Zellkompression sowie Ermittlung anwendungsspezifisch optimaler Modulkonzepte im Hinblick auf Vibrationsstabilität und Lebensdauer, (iii) innovative Methoden zur Schadensdetektion und -lokalisierung, Definition der notwendigen Sensorik und anschließender Implementierung in einem BMS und (iv) Definition von Richtlinien zum verbesserten Zell- und Moduldesign sowie der Verpackung von Zellen bzw. Modulen für den Transport.

Es ist angedacht, die gewonnenen Erkenntnisse mittelfristig direkt in das Design neuer, robuster und langlebiger Energiespeichersysteme sowie von Prototypen einfließen zu lassen. Für Hoppecke ist hauptsächlich der industrielle Einsatzbereich relevant.