Leichtes Lithium-Metall-Schwefel-Batteriesystem auf Basis strukturierter Hybrid-Elektroden-Konzepte für Anwendungen in der Luftfahrt

Das Gesamtziel des LiMeS-Verbundprojekts besteht in der Entwicklung eines leichten Lithium-Metall-Schwefel-basierten Batteriesystems für Anwendungen in der Luftfahrt. Dazu soll die Entwicklung und Optimierung von Zellkomponenten hinsichtlich der anwendungsspezifischen Anforderungen vorangebracht und im Rahmen des Teilprojektes mithilfe eines geeigneten mathematischen Modells unterstützt werden. Ziel ist es, den Einfluss verschiedener Design-Größen auf das Betriebsverhalten der Lithium-Schwefel-Batteriezelle zu beschreiben und konkrete Entwicklungsziele zur Verbesserung des Zelldesigns abzuleiten. Weiterhin sollen Abhängigkeiten zwischen dem Zelldesign und der Gestaltung des Batteriesystems im Kontext der Anforderungen aufgezeigt und durch den Funktionsnachweis an einem Demonstrator getestet werden.

Den direkten Rückschluss von Design-Parametern auf die zugrundeliegenden Prozesse innerhalb der Batteriezelle liefern physikalisch-chemisch motivierte Modelle auf Grundlage von Massen- und Energiebilanzen. Diese können bezüglich ihrer Komplexität zum einen in Bezug auf die örtliche Auflösung und zum anderen in Bezug auf die abgebildeten Reaktionen und Prozesse unterschieden werden. Die einfachsten Modelle sind nulldimensional (0D) und betrachten die verschiedenen Bereiche der Zelle zusammengefasst. Darüber hinaus existieren ein- und mehrdimensionale Modelle (1D, P2D), mit denen in Sandwich-Richtung die lokalen Konzentrationsfelder der beteiligten Spezies sowie die Potentialfelder entlang des Zellquerschnitts berücksichtigt werden können. Neben der örtlichen Auflösung muss im Rahmen der Modellbildung festgelegt werden, welche auftretenden Reaktionen und Prozesse abgebildet werden, um das Betriebsverhalten adäquat nachzubilden. Dies betrifft insbesondere die elektrochemischen Reaktionen, die unmittelbar auf das elektrische Verhalten wirken. Auch finden Nebenreaktionen, wie Degradation und das sog. Shuttle-Phänomen, statt, die sich auf die nutzbare Kapazität sowie die Selbstentladung auswirken und zur Korrosion der Lithium-Anode führen. Allerdings sind die thermodynamischen Eigenschaften der beteiligten Prozesse und Spezies noch nicht vollständig verstanden, was in den bekannten Modellen zu einer großen Anzahl an unbekannten Parametern führt und die physikochemische Modellentwicklung erschwert.

Ausgehend vom Zielkonflikt zwischen unterschiedlichen Modellierungsansätzen, der Parametrisierungsgüte sowie dem Berechnungsaufwand soll im Rahmen des vorliegenden Teilprojekts ein geeignetes Zellmodell formuliert werden, welches den Anforderungen der ausgewählten Luftfahrtanwendungen gerecht wird. Dazu werden die physikalisch-chemischen Zellmodelle aus der Literatur zugrunde gelegt und zielgerichtet deren relevante Prozesse analysiert und abgebildet. Großer Wert wird auf eine möglichst begrenzte Anzahl an unbekannten Parametern gelegt, die anhand von elektrischen Performancedaten und anderen analytischen Verfahren an Referenzzellen bestimmt werden. Zur Parameterbestimmung wird auf numerische Optimierungsalgorithmen zurückgegriffen, die je nach Grad der Nichtlinearität und Güte der Schätzwerte für die Lösung gradientenbasiert oder evolutionär sein können.

Durch die Ermittlung von optimierten Designparametern wird die Zellentwicklung über die Projektlaufzeit iterativ begleitet und mithilfe gezielter Parameterstudien unterstützt. Das parametrisierte Zellmodell soll darüber hinaus verwendet werden, um das Betriebsverhalten eines Batteriesystems abzubilden und dessen Betriebsgrenzen abzuleiten. Der systematische Transfer zwischen einer einzelnen Zelle und dem ganzen Batteriesystem erfolgte bisher ausschließlich für Lithium-Ionen-Zellen und stellt für die Lithium-Schwefel-Technologie einen neuartigen Ansatz dar, dem im Rahmen dieses Teilprojekts eine übergeordnete Rolle zukommt.

Auf Basis des vorliegenden Systemmodells wird in Zusammenarbeit mit der Stercom Power Solutions GmbH ein Batteriemodul als Demonstrator entwickelt, aufgebaut und einem umfangreichen Funktionstest entsprechend der Anforderungen aus der Luftfahrt unterzogen. Bei der Gestaltung des Demonstrators muss auch ein Batteriemanagement-System berücksichtigt werden, das den Ladezustand (State of Charge, SoC) und den Alterungszustand (State of Health, SoH) bestimmt und einbezieht. Im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien ist es üblich, zu diesen Zwecken basierend auf der aktuellen Spannungslage auf den Ladzustand zu schließen, was aufgrund er abweichenden Spannungscharakteristik beim Laden und Entladen nicht unmittelbar auf Lithium-Schwefel-Batterien übertragbar ist. Deshalb werden vermehrt Verfahren, wie der Kalman-Filter oder Neuronale Netzwerke zur Zustandsschätzung verwendet, mit denen das Verhalten der Batteriezellen bei elektrischer und thermischer Belastung quantifiziert werden soll, um eine Einschätzung für den Einsatz von Lithium-Schwefel-Batterien in Flugzeugen zu ermöglichen.

Da Lithium-Schwefel-Batterien bereits heute für Spezialanwendungen kommerziell vertrieben werden, lassen sich die im LiMeS-Projekt geplanten Verbesserungen der Technologie (Li-Anode, Elektrolytkonzepte, Kathodendesign) durch Kooperation mit Zellherstellern wirtschaftlich verwerten.

Darüber hinaus können alle Projektergebnisse auf Komponenten- und Systemebene kurzfristig (>3 Jahre) auf andere Speichertechnologien und Industriebereiche überführt werden, womit sie divers weiterverwendet werden können. Langfristig (> 10 Jahre) stützt das Projekt den Batterieeinsatz in der Luftfahrt, treibt die Ziele der Europäischen Kommission (FLIGHTPATH 2050) voran und führt mit seiner energetischen und sicherheitstechnischen Bewertung zu kommerziellen Potentialen für deutsche Anlagen- und Zellhersteller.

Die verwendete Methodik zur modelltheoretischen Auslegung und Entwicklung eines auf einen spezifischen Anwendungsfall aus der Luftfahrt zugeschnittenen Batteriesystems kann zukünftig auch auf anderen Zelltechnologien übertragen werden. Im Allgemeinen werden Modelle bisher verwendet, um das physikalische Verhalten von Batterien abzubilden, nicht jedoch darüber hinaus zur Ableitung und Optimierung von Designkonzepten benutzt. Der iterative Ansatz das Modell eines Lithium-Metall-Schwefel-Systems direkt zu verwenden, um ausgehend von der Anwendung Rückschlüsse auf das Zelldesign zu ziehen, ermöglicht eine präzisere Ermittlung von Systemparametern und ist neu in der Literatur. Insbesondere der kurz- bis mittelfristige Aufbau weiterer Technologie-Demonstratoren für potentielle Produkte lässt sich mit diesem Entwicklungsansatz unterstützen und vereinfachen. Damit leistet das LiMeS-Projekt einen wesentlichen Beitrag für die Qualifizierung von Batterietechnologien und deren Einsatz in der Luftfahrt.