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Im Rahmen des COMET-Projekts „SafeBattery“ hat ein Team der TU Graz in den vergangenen vier Jahren das Verhalten von Lithium-basierten Batterien von Elektroautos bei Crashbelastungen untersucht. „Die Performance neuer Batteriezellen ist weitgehend bekannt, daher beschäftigten wir uns mit dem gesamten Lebenszyklus“, erklärt Projektleiter Christian Ellersdorfer vom Institut für Fahrzeugsicherheit. Gemeinsam mit Industriepartnern wie AVL, Audi oder Daimler wurden Szenarien beforscht, die eine Batterie im Laufe ihres Lebens erleben kann: etwa Vibrationen und starke Beschleunigungen durch Parkrempler, schwere Unfälle und das ständige Laden und Entladen der Batterien.
Veränderungen durch das Laden und Entladen
Mithilfe von Crashtests, Simulationsmodellen und Berechnungsverfahren konnten die Forschenden feststellen, dass Vibrationen und Beschleunigungen das Verhalten von Batterien kaum beeinflussen. Deutlichere mechanische und elektrische Veränderungen zeigten sich allerdings durch das ständige Laden und Entladen der Batterie Derart gealterte Batteriezellen besitzen bei mechanischer Belastung eine höhere Steifigkeit. „Die Veränderungen bedeuten aber nicht zwingend, dass Batterien mit dem Alter gefährlicher werden. Im Gegenteil: Die Summe der Einflüsse macht sie über die Zeit sicherer, weil sie auch elektrische Energie verlieren“, so Ellersdorfer. Die Untersuchungen von Ellersdorfer et al zeigen, dass Zellen mit stark-reduziertem Kapazitätsgehalt nach einem internen Kurzschluss einen abgeschwächten Verlauf des so genannten Thermal Runaways haben. Durch das reduzierte Energiepotential von gealterten Batterien sinkt also die Wahrscheinlichkeit von unfallverursachten Batteriebränden.
Nutzen für Autoindustrie
Dank der Forschungsergebnisse wissen die Hersteller jetzt, was sie einer Batteriezelle zutrauen können. Das ermöglicht materialsparende Designs und mehr Effizienz, wie Ellersdorfer erklärt: „Bislang wurde die Batterie so verbaut, dass Deformationen bei jedem erdenklichen Szenario ausgeschlossen werden konnten. Jetzt können die Hersteller den Bauraum besser nutzen. Und Sicherheits-Checks einer neuen Zelle besitzen Gültigkeit für die gesamte Lebensdauer der Batterie.“
Qualifizierung von E-Batterien für ein zweites Leben
In der Zeitleiste eines Batterielebens geht das SafeBattery-Konsortium jetzt einen Schritt weiter: Im jüngst gestarteten COMET-Projekt SafeLIB werden die Veränderungen in E-Batterien gemeinsam mit weiteren Partnern (LIT Law LAB, Infineon, Fronius, Mercedes) noch genauer beleuchtet, um daraus Sicherheitsfaktoren für die Nachnutzung ableiten zu können. „Für E-Autos sind gebrauchte Batterien mit einer Leistungskapazität von 80 Prozent nicht mehr geeignet, sehr wohl aber für stationäre Energiespeicher oder für Werkzeugmaschinen. Dafür ermitteln wir erstmals allgemeingültige Messgrößen im Bereich der Sicherheit“, beschreibt Ellersdorfer das Vorhaben.
Die Forschenden bedienen sich dabei der weltweit einzigartigen Prüfstandstechnik für Batteriensicherheit im Ende 2020 eröffneten Battery Safety Center Graz. Dort kann das Vorleben einer Batteriezelle in einem noch nie dagewesenen Detailgrad untersucht werden. Berücksichtigt werden außerdem die rechtlichen Rahmenbedingungen zur Wiederverwendbarkeit (z. B. die Frage der Haftung bei Folgeschäden). Neben dem sogenannten „State of Health“, die vorhandene Rest-Kapazität und Leistungsfähigkeit einer Batteriezelle wiedergibt, soll so schlussendlich ein „State of Safety“ definiert werden, mit dem der Sicherheitsstatus einer Batterie über den gesamten Lebenszyklus beurteilt werden kann. SafeLIB hat eine Laufzeit von vier Jahren und endet 2025. Die Österreichische Forschungsgesellschaft FFG fördert das Projekt mit insgesamt 6 Millionen Euro (siehe FFG Fact sheet).
Wissenschaftliche Partner:
- TU Graz | Institut für Fahrzeugsicherheit
- TU Graz | Institut für Chemische Technologie von Materialien
- Johannes Kepler Universität Linz
- Virtual Vehicle Research Center
Unternehmenspartner:
- Audi AG2
- AVL List GmbH
- Dr. Ing. h.c.F. Porsche AG
- DYNAmor GmbH
- Fill GmbH
- Fronius International GmbH
- Infineon Technologies AG
- Mercedes Benz AG
- Wacker Neuson Linz GmbH
Die beiden Forschungsprojekte sind an der TU Graz im Field of Expertise „Mobility & Production“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der Universität.
