Inline-Qualitätskontrolle von Lithium-Ionen-Zellen in der Zellproduktion und Restwertanalyse gealterter Zellen im Recyclingprozess: SoH-Bestimmung mithilfe von Quantenmagnetometrie

Das übergeordnete Arbeitsziel des Teilprojektes KIBatMod liegt in der intelligenten Zusammenführung und Analyse von zyklischen Alterungsdaten und quantenmagnetischen Sensordaten, das den Hauptarbeitsschwerpunkt am IFAM bildet.

Durch den Einsatz von KI-basierten Methoden zur Bilderkennung und umfassenden elektrochemischen Analysen der zyklischen Alterungstests sollen hierbei spezifische Features in den Suszeptibilitätsmappings identifiziert werden, die eine eindeutige Korrelation zum Alterungszustand der Zelle aufweisen, die dann zur Entwicklung eines intelligenten Schnelltest-Verfahrens zur Klassifizierung von Zellen anhand ihres Gesundheitszustands herangezogen werden.

Ein zusätzlicher Schwerpunkt der Arbeiten des IFAM liegt in der ökologischen Betrachtung verschiedener Verwertungsmodelle für Batteriezellen mit eingeschränkter Funktionsfähigkeit. Dazu wird der CO2-Footprint für den Einsatz von gealterten Zellen in einem ausgewählten Second-Life-Geschäftsmodell modelliert, um eine Bewertung des ökologischen Mehrwerts von Upcycling-Strategien gegenüber klassischen Recycling-Ansätzen durchführen zu können.

Das Fraunhofer IFAM strebt drei wesentliche Arbeitsziele an:

1. Fertigung von kleinformatigen Pouch-Zellen

2. Entwicklung eines intelligenten Schnelltestverfahrens zur Klassifizierung von Zellen

3. Ökologische Evaluierung von Upcycling-Strategien

Die zuverlässige Funktionsfähigkeit von Batteriezellen im Betrieb ist unmittelbar mit der Wirtschaftlichkeit bzw. den Kosten einer Batterie verbunden. Im Bereich der Elektromobilität müssen die Zellen dabei besonders hohe Qualitätsanforderungen erfüllen, um den geltenden Ansprüchen elektromobiler Anwendungen, insbesondere im Hinblick auf die zu erzielende Reichweite und Lebensdauer, gerecht zu werden. Eine kreislauffähige Nutzung von Batterien setzt dabei eine Betrachtung des gesamten Batterielebenszyklus voraus und umfasst die Entwicklung nachhaltiger Konzepte zum Umgang mit Batteriezellen, die die in der Erstanwendung geltenden Anforderungskriterien nicht länger erfüllen.

In diesem Zusammenhang ist das Thema Batterie-Upcycling und die Entwicklung von Second Life-Strategien für eingeschränkt funktionsfähige Zellen von großer Bedeutung. In direkter Konkurrenz zum Einsatz verfügbarer Second-Life-Batterien steht immer die Verwendung neuer Batterien. Üblicherweise sind Letztere zwar technisch auf dem aktuellsten Stand, aber auch mit höheren Beschaffungskosten verbunden. Für eine potenzielle Second-Life-Anwendung muss daher mit großer Sorgfalt abgewogen werden, welche Anforderungen die Zellen erfüllen müssen und wie hoch die Kosten-/Nutzeneffizienz für neue bzw. gealterte Zellen ist. Bislang gibt es keine zuverlässige Methodik zur Zustandsbestimmung und Restwertermittlung gealterter Zellen, weshalb der Einsatz gealterter Zellen stets mit einem hohen wirtschaftlichen Risiko für den Anwender verbunden ist.

In der Abteilung Elektrische Energiespeicher des Fraunhofer IFAM wird daher in KIBatMod kurzfristig die Entwicklung und technische Umsetzung eines intelligenten Schnelltest-Verfahrens zur zuverlässigen und präzisen Qualitäts- und Restwertanalyse von Zellen angestrebt, das mit dem Einsatz von Second-Life-Zellen verbundene ökonomische Risiko minimieren und so die Lebensdauer von Lithium-Batterien verlängern soll. Das Schnelltest-Verfahren bildet somit die entscheidende Grundlage zur mittelfristig angestrebten Entwicklung innovativer Geschäftsmodelle zur Nachnutzung von Batteriezellen. Die damit einhergehende Ausgestaltung einer nachhaltigen und ressourcenschonenden Wertschöpfungskette für Batterien kann negative Umweltauswirkungen und Kosten drastisch reduzieren. Darüber hinaus führt die Etablierung eines Marktes für gebrauchte Batterien zur Senkung des Neubedarfs an kritischen Rohstoffen, wodurch langfristig wirtschaftliche Abhängigkeiten reduziert und die ökologische Nachhaltigkeit des Wirtschaftsstandorts Deutschland, insbesondere durch die Senkung der mit der Batterieproduktion verbundenen Emissionen von Treibhausgasen, gestärkt wird.