Vibrationsanalyse von Lithium-Ionen Batterien

Lithium-Ionen-Akkumulatoren – welche einer der wichtigsten Bausteine für die Elektromobilität sind – zeigen im Betrieb starke strukturelle Änderungen in den Elektroden. Dieses Phänomen wird sich bei künftiger Implementierung von Hochenergiematerialien weiter verstärken. Die Kenntnis dieser strukturellen Änderungen kann wesentlich zur Ausschöpfung ihres Potentials und zur Erhöhung der Sicherheit sowie Lebensdauer beitragen. Derzeit werden diese Daten durch teure Voruntersuchungen gewonnen. In der Applikation im Fahrzeug steht dem Batteriemanagementsystem, welches seine Daten aus dem elektrischen Zweipolverhalten ableiten muss, nur eine sehr begrenzte Datenbasis zur Verfügung. Um diese Unsicherheit abzufedern, müssen entsprechende Reserven in Bezug auf Sicherheit, Kapazität etc. eingeplant werden, was Überdimensionierung und nur teilweise Ausnutzung vorhandener Kapazitäten zur Folge hat. Hier setzt das Sondierungsprojekt „VALERIE - Vibrationsanalyse von Lithium-Ionen Batterien“ an. Es soll die in anderen Gebieten der Werkstoffprüfung erfolgreich eingesetzte Methode der mechanischen Schwingungsanalyse auf ihre Eignung zur Messung oben genannter Phänomene überprüft werden. Dabei wird eine Zelle in mechanische Schwingung versetzt und ihre Antwort gemessen, woraus Eigenschaften über das System gewonnen werden können. In Vorarbeiten mit teuren und praxisfernen Laboraufbauten konnten bereits erste Erfolge erzielt werden, ein Beweis für eine reproduzier- und nutzbare Messung vor allem in der Anwendung steht aber noch aus. Es müssen in dieser Sondierung Aspekte wie Einflüsse der Umgebung, Platzierung der Sensoren, Frequenzbereiche und deren Informationsgewinn, etc. abgeklärt werden. Dies wird mit einem kombinierten Ansatz aus praktischen Tests an Zellen und praxisnahen Aufbauten mit Finite- Elemente- Simulationen erreicht. Die Validierung der Eignung der Methode soll mit dem Dilatometerverfahren erfolgen. Ziel ist es den Einsatz des Verfahrens als Datenquelle für ein Batteriemanagementsystem zu untersuchen sowie in zweiter Linie auch auf Eignung als kostengünstige Alternative zu teuren Analyseverfahren in der Zell- und Systementwicklung. Bei Erfolg soll der TRL von derzeit ca. 2-3 auf 4 gehoben werden, vor allem in Hinblick auf die Anwendung. Ein Nebenziel ist auch eine weitere Bekanntmachung des Verfahrens in der Industrie und Aufsetzen eines Folgeprojektes. Dabei soll aber auch ein möglicher Fehlschlag der Sondierung kommuniziert werden. Ein erfolgreiches Projektresultat kann die Datenlage von Lithium-Ionen Batterien auch im Einsatz erheblich verbessern und so wesentlich zur Verbesserung des Gesamtsystems beitragen.