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Bayreuther Ingenieure haben einen neuen Weg zur Analyse des Batteriezustands gefunden. Er zeigt schnell und unaufwändig, ob eine Batterie komplett ersetzt werden muss oder ob es reicht, nur eine der enthaltenen Batteriezellen zu ersetzen. Das war bisher nur durch umfangreiche Messvorgänge feststellbar.

Wenn eine Batterie – ob im Akkuschrauber, Elektrofahrrad oder E-Auto – nicht mehr ausreichend Energie oder Leistung aufweist, hat sie offensichtlich ihr Lebensende erreicht. „Wenn man dann einfach feststellen könnte, dass nur eine einzelne Zelle, nicht die komplette Batterie an ihrem Lebensende ist, müsste man nur diese, nicht den ganzen Akkupack ersetzen“, berichtet Tom Rüther, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme und am Bayerischen Zentrum für Batterietechnik (BayBatt) der Universität Bayreuth. Aber: „Die Entscheidung für die beste kreislaufwirtschaftliche Option für gealterte oder defekte Akkupacks –  d.h. zunächst die Reparatur, Wiederaufbereitung zur Weiterverwendung anstelle einer nachfolgenden stofflichen Verwertung –  erfordert bisher umfassende Messungen, Analysen und eine entsprechende Datengrundlage“, sagt Rüther. Er hat jetzt gemeinsam mit Kollegen unter der Leitung von Prof. Dr-Ing. Danzer eine Alternative vorgelegt und die Erkenntnisse darüber im Fachjournal „Applied Energy“ veröffentlicht.

In Bayreuth arbeitet man innerhalb des BMBF-Projekts ReDesign des Kompetenzcluster greenBatt an Verbesserungen hin zur Circular Economy (Kreislaufwirtschaft) im Batterie-Bereich. Hier geht es vor allem um die Refabrikation von Akkupacks: Dies bezieht sich auf den Austausch einzelner (Teil-) Module oder Zellen, die defekt sind oder ein abweichendes Alterungsverhalten im Vergleich zum Rest der Batterieeinheiten aufweisen. Ob eine signifikante Ungleichheit im Zustand der Akkus vorliegt oder ob alle Zellen gleich gealtert sind, wird bisher anhand dieser aufwändigen Messungen erkannt.

In Bayreuth wird das durch Digitalisierung vereinfacht: Es werden virtuelle Batteriemodule auf der Grundlage der Messung von einzelnen Zellen desselben Typs erstellt. Die Schwankungen von Zelle zu Zelle werden zu Beginn der Lebensdauer bestimmt. Daraus resultiert eine Art „idealtypisches Batteriemodul“ unter Berücksichtigung von statistischen Schwankungen. Für die quantitative und qualitative Analyse ist das ein neuartiger vergleichender Analyseansatz. Die Merkmale der in Serie verbundenen Zellen werden dabei untersucht und mit denen einer ungleichmäßig gealterten Verschaltung verglichen. Für die vielversprechendsten Merkmale wird eine detaillierte Empfindlichkeitsanalyse durchgeführt, bei der der Einfluss der Zell-zu-Zell-Variationen, der Alterungsbedingungen und des Alterungsmechanismus untersucht wird. Das Merkmal mit der höchsten Empfindlichkeit, das sogenannte niederfrequente Minimum, ist in der Lage, einzelne Ausreißer innerhalb einer großen Anzahl von seriell verbundenen Zellen zu erkennen. Hiermit werden erstmals gezielt Inhomogenitäten innerhalb eines Akkupacks entdeckt. Rüther fasst zusammen: „Wir haben damit eine Methode gefunden, um ökonomisch weniger aufwändig als bisher herauszufinden, ob ein Batteriemodul ungleichmäßig gealtert ist, was uns neue Handlungsmöglichkeit bei der Bewertung von unterschiedlichen Kreislaufwirtschaftsoptionen gibt.“

„Für die Refabrikation von Batteriemodulen oder -systemen, bspw. aus der Elektromobilität, und der Weiternutzung geeigneter Zellen oder Module anstelle deren Verschrottung ist die Zustandsbewertung eine wesentliche Voraussetzung. Entsprechende Analysemethoden sind daher wichtiger Türöffner für Werterhalt und Weiterverwendung“ resümiert Dr.-Ing. Bernd Rosemann, Akademischer Direktor am Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik und Projektleiter des BMBF-Projektes Redesign am Bayerischen Zentrum für Batterietechnik (BayBatt) an der Universität Bayreuth.

Damit hebt sich die Bayreuther Forschung von den weiteren Zielen des BMBF-Forschungscluster greenBatt ab: Diese kümmern sich vor allem um das stoffliche Recyceln, also die Rückgewinnung von Materialien und Stoffen aus Batterien und deren Rückführung in den Stoffkreislauf. Das greenBatt-Team am BayBatt widmet sich jedoch ganz bewusst der Refabrikation, also dem Wiederaufbereiten auf Teile- bzw. Modulebene und damit dem Wiedernutzbarmachen von Batterien, welche sich vermeintlich an ihrem Lebensende befinden.

Link: 1. Bearbeitung in BMBF-Projekt GreenBattery, ReDesign 01.21-11.23., Aktuelle Publikation 19.12.22, Journal Paper: Applied Energy (https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.120514), Rüther, T. (Corresponding Author), Plank, C., Schamel, M., Danzer, M. A.

Kontakt:
Tom Rüther, M.Sc.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme
Tel.: +49 (0) 921/55-7007