Leistungsfähige und zugleich sichere Batterien sind einer der wichtigsten Bausteine für den Erfolg der Elektromobilität. Von entsprechend großer Bedeutung ist deshalb die Messung der Zustände und Kapazitäten von Batterien. Als aussagekräftigstes Verfahren gilt die Impedanzspektroskopie. Obwohl die Impedanz selbst sich nicht direkt messen lässt, kann sie aus dem Verhältnis von Strom und Spannung errechnet werden. Daraus lassen sich Rückschlüsse über den Ladestand (SOC, State of Charge), den Zustand des Innenlebens (SoH, State of Health) oder den allgemeinen Sicherheitszustand ziehen.
Um alle erforderlichen Daten zu gewinnen, sind aufwendige Messungen und Analyseverfahren erforderlich. Die Impedanzmessung ist außerdem bislang lediglich im Ruhezustand realisierbar. Typischerweise kann es bis zu zwanzig Minuten dauern, ehe die Daten zur Charakterisierung der Batterie vorliegen.
Doch ein Team des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM konnte das Verfahren unter Leitung von Prof. Fabio La Mantia jetzt weiterentwickeln.
Dynamische Impedanzspektroskopie liefert erstmals Zustandsdaten in Echtzeit
Mit der dynamischen Impedanzspektroskopie wird es erstmals möglich, Messwerte zum Status von Batterien während des laufenden Betriebs zu ermitteln, um sie in Echtzeit verfügbar zu machen. Die hierdurch gewonnenen Informationen beinhalten nicht nur Angaben zur Ladekapazität oder der noch verbleibenden Betriebsdauer, sondern zeichnen ein tiefgehendes, differenziertes Bild des Innenlebens, anhand dessen zudem Aussagen zur Lebensdauer getroffen werden können.
Im Unterschied zu existierenden Anzeigen der Batterieladestands, wie es sie zum Beispiel in E-Autos gibt, bietet das neue Verfahren sehr viel mehr Informationen. Überdies ist es deutlich genauer und reagiert aufgrund von bis zu einer Million Messungen pro Sekunde wesentlich schneller. Dazu Projektleiter Dr. Hermann Pleteit: „Die dynamische Impedanzspektroskopie eröffnet zunächst neue Möglichkeiten bei der Optimierung des Batteriemanagements und verlängert damit die Lebensdauer der Batterien.“
Erhitzte Zellen rechtzeitig abschalten
Ein weiterer Rückschluss, der sich ziehen lässt, betrifft die Temperatur. So können Batteriemanagementsysteme unmittelbar während der Fahrt im E-Auto registrieren, wenn eine Zelle sich lokal stark erhitzt, und diese abschalten oder die Leistung drosseln, wodurch herkömmliche Temperaturfühler, die auf der Außenhülle der Batterien sitzen und daher oft zu spät reagieren, überflüssig werden. Bei Ladestationen ergeben sich weitere Vorteile. Selbst bei zügigem Laden wird verhindert, dass gefährlichen Temperaturspitzen entstehen.
Die Impedanzspektroskopie ist neben den derzeit üblichen Lithium-Ionen-Akkus ebenfalls für Batterietypen auf Feststoff-, Natrium-Ionen- oder Lithium-Schwefel-Basis oder andere zukünftige Technologien nutzbar.
Künftig könnte die Echtzeit-Fähigkeit ebenso den Einsatz in besonders sicherheitskritischen Bereichen erlauben. „Solche Systeme könnten etwa in umweltfreundlichen Elektroflugzeugen eingesetzt werden. Dieser Markt beginnt sich gerade zu entwickeln. Auch in der Schifffahrt zeigen die Hersteller Interesse“, erklärt Pleteit.
Weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
www.ifam.fraunhofer.de
Bildhinweis:
Unser Titelbild entstand unter Zuhilfenahme von künstlicher Intelligenz.
