09.03.2023 • EnergieMaterialwissenschaften

Batteriezellen: Mit neuen Messmethoden zu höherer Lebensdauer

Bestimmung des Wechselstrom-Widerstands innerhalb der Batterie mittels dynamischer Impedanz-Spektroskopie – während des Betriebs.

Die Alterung von Batterie­zellen lässt sich unter realen Bedingungen nicht leicht bestimmen. Eine genaue Aussage über den Alterungs­zustand der Zellen im Betrieb bildet aber die Grundlage für ein besseres Verständnis der Alterungs­mechanismen einer Batterie und für eine Verlängerung ihrer Lebensdauer. Um den Zustand der Batterie­zellen präziser und ohne Laboraufwand bestimmen zu können, wurde am Fraunhofer-Institut für Fertigungs­technik und angewandte Material­forschung die Bestimmung des Wechselstrom-Widerstands innerhalb der Batterie mittels dynamischer Impedanz-Spektroskopie weiter­entwickelt. So sind Messungen während des Betriebs möglich, durch die Aussagen zur Leistungs­fähigkeit in Echtzeit getroffen werden können.

Abb.: Durch Messung der dyna­mischen Impe­danz der Batterie­zellen lässt...
Abb.: Durch Messung der dyna­mischen Impe­danz der Batterie­zellen lässt sich deren Zustand während des Lade­vor­gangs direkt be­stimmen. (Bild: Fh.-IFAM)

Für die Alterung von Batterie­zellen sind viele Faktoren entscheidend. Neben der kalendarischen Alterung, die im Wesentlichen durch Lagerungs­temperaturen und den Ladezustand während der Lagerung bestimmt wird, ist vor allem die Historie aller Lade- und Entlade­vorgänge mit den dabei jeweils aufgetretenen Strom­be­lastungen und Temperaturen maßgeblich. Es sind also viele variierende Einfluss­faktoren über große Zeiträume, weshalb die präzise Bestimmung des Alterungs­zustands komplex und bisher mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Dabei basieren bestehende Ansätze entweder auf Simulationen, die eine verein­fachte Beschreibung des Batterie­systems und des Zersetzungs­prozesses darstellen, oder auf experi­menteller Extrapolation der Zyklen­lebens­dauer der Batterie­zellen. Hierbei wird der empirische Zusammen­hang zwischen der gemessenen Impedanz einer Zelle und der Kapazität der Batterie ermittelt.

Für die simulative Modellierung benötigt man die Kenntnis über alle notwendigen Detail­prozesse für jeden Zelltyp, auch wenn diese noch gar nicht bekannt oder unverstanden sind. Außerdem muss zur Übertragung auf eine neue Zellchemie der gesamte Beschreibungs­prozess erneut durch­geführt werden, was wiederum erheblichen Aufwand mit sich bringt. Dies ist auch bei der Extra­polation aus Messungen der Fall, da hier für jeden zu beschreibenden Zelltyp und alle existierenden Umgebungs­bedingungen der komplette Messaufwand durchgeführt werden muss. Dabei ist eine orts­auf­ge­löste Beschreibung der Temperatur­verteilung innerhalb einer Zelle noch nicht einmal berück­sichtigt.

Der am Fraunhofer-IFAM entwickelte neue Ansatz besteht darin, die Lebensdauer von Batterie­zellen anhand eines Modells zu beschreiben, das auf einem begrenzten Kenntnis­stand zur Zellchemie beruht. Hierfür werden mathematische Modelle für nicht­lineares Verhalten mit Memory-Effekten zur Beschreibung der Zell­eigen­schaften verwendet. Dieser Ansatz bietet den Vorteil, dass die Ausgabe des Systems von der Eingabe in das System zu allen Zeiten abhängt, das System also ein Gedächtnis über alle vorherigen Vorgänge erhält, was zur Beschreibung des Alterungs­prozesses unerlässlich ist.

Der entscheidende Schritt ist dann die Messung der dynamischen Impedanz der Batterie­zellen während des Einsatzes, also während des Ladens und Entladens der Zelle. Es ist dabei möglich, die mathe­matischen Parameter zur Beschreibung des Verhaltens der Zellen direkt zu messen. Mithilfe dieser mathe­matischen Darstellung können dann auch nicht gemessene Zustände berück­sichtigt werden, wodurch die Übertrag­barkeit auf andere Umgebungs­bedingungen und Zellchemien, also die Berück­sich­tigung komplett neuer Batterie­typen, ermöglicht wird.

Die neue Methode bietet nicht nur die Möglichkeit, die Ergebnisse mit geringem Aufwand auf ganz verschiedene Zelltypen wie beispiels­weise Festkörper­batterien) zu übertragen, sondern vor allem den Vorteil, dass die Messungen direkt während der Nutzung einer Batterie etwa im Elektroauto durchgeführt werden können. Zusätz­licher Labor­aufwand oder eine Einschränkung der Nutzung zur Alters­bestimmung ist also nicht notwendig.

Durch Implementierung in das Batterie­management­system lassen sich daher zu jeder Zeit während der Nutzung des Systems alle notwendigen Daten zur Lebens­dauer­prognose gewinnen. Darüber hinaus können aufgrund dieser Daten optimierte Lade­strategien entwickelt werden, um damit die Gesamt­lebens­dauer des Batterie­systems zu erhöhen. Damit werden Lebens­dauer­kosten gesenkt und die Nach­haltig­keit beim Einsatz eines Batteriesystems in der Anwendung gesteigert.

Fh.-IFAM / RK

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