Höhere Effizienz, größere Wirtschaftlichkeit sowie bestmögliche Versorgungssicherheit sind zentrale Aufgaben einer nachhaltigen Energieversorgung. Im gemeinsamen Projekt SEEDs bauen das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC eine einzigartige Forschungs- und Demonstrationsplattform für lokale, intelligente Energiesysteme auf, die verschiedene Technologien und Energieformen – Strom, Wärme, Kälte und Wasserstoff – in einem optimierten Gesamtsystem vereint. Ein Fokus liegt dabei auf erneuerbaren Energien.
Neben der Entwicklung, Umsetzung und Validierung der Demonstratoren bilden vier Themenfelder den Forschungsschwerpunkt im Projekt SEEDs: Gleichstrom-Netze und elektrische Speicher, Versorgungsnetzsimulatoren, Gas-Strom-Kopplung und Kältesysteme. Mit über 20-jähriger Erfahrung im Bereich Material- und Komponentenentwicklung für elektrochemische Energiespeicher liefert das Fraunhofer ISC dafür nicht nur einen neuen Batterieprototypen, sondern auch das umfassende Know-how in Bezug auf Charakterisierung und Analyse von Speichermodulen und -systemen.
Bisher gibt es in der Forschung jedoch keine umfassenden Kenntnisse über den genauen Zusammenhang zwischen der Verspannung – also wie und mit welcher definierten Kraft die Elektroden in der Batteriezelle verspannt sind – und ihrer Lebensdauer. Das Fraunhofer-FuE-Zentrum für Elektromobilität Bayern, Teil des Fraunhofer ISC, untersucht deshalb anhand von Demonstratorzellen, wie sich (evtl. inhomogene) Modulverspannungen, Druck, Temperatur und Elektrodenpotenzial auf die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit einer Batterie auswirken. Dafür entwickeln die Wissenschaftler »intelligente« Zellen, die diese Einflussfaktoren ortsaufgelöst zellintern während des Betriebs messen können.
Die Sensorik wird direkt in die Lithium-Ionen-Zellen integriert. Sie ermittelt kontinuierlich den Zustand des gesamten Zellverbunds in Hinblick auf Lade- und Alterungsverhalten und gibt Auskunft darüber, wie sich verschiedene Betriebsbedingungen auf die Zellen auswirken. Als Druckmesser werden Sensoren verwendet, die sich aufgrund ihrer geringen Bauhöhe ideal für den Einbau in Zellmodule eignen und durch Verformung Druck- oder Krafteinwirkung messen.
Zur Fertigung der intelligenten Zellen verfügt das Fraunhofer ISC über halbautomatisierte Fertigungsprozesse unter definierten Klimabedingungen. Die Elektroden werden vor Ort kontinuierlich per Rolle-zu-Rolle-Anlage im Reinraum beschichtet. Zum Vergleich werden Batteriemodule aus kommerziell erhältlichen Zellen aufgebaut und im tatsächlichen Betrieb getestet. Anschließend soll eine umfangreiche Post-Mortem-Analyse z. B. konstruktionsbedingte lokale Verspannungen identifizieren.
Aus den Resultaten der zellinternen Sensorikuntersuchung und der Post-Mortem-Analyse werden Handlungsempfehlungen für die Auslegung und Konstruktion von Zellen und Batteriesystemen entwickelt.
Das Projekt »SEEDs – Aufbruch in die industrielle Energiewende – Intelligente Nutzung von Energie in KMUs« wird vom Bayerischen Ministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie im Programm »Aufbruch Bayern« gefördert. Mehr Informationen unter www.fzeb.fraunhofer.de.
