Litihum-Ionen Batterien sind die am meisten genutzte Batterietechnologie in mobilen Anwendungen und vor allen in der Elektromobilität. Mit dem immer größer werdenden Aufkommen Elektrischer Fahrzeug im Zuge der Klimaziele der Bundesrepublik Deutschland nimmer auch der Anteil an Lithium-Ionen Batterien im Umlauf zu. Hierbei ist vor allen im Fahrzeug die Sicherheit der Zellen eine der höchsten Prioritäten. Unfälle mit Litihum-Ionen Batterien gab es in der Vergangenheit immer wieder und diese Unfälle waren häufig auf Produktionsmängel oder Produktionsfehler zurückführen. Diese Mängel schnell im Betrieb zu detektieren ist daher von größter Wichtig um die Sicherheit in allen Anwendungen zu gewährleisten.
Im Projekt Online Sicherheitsbewertung von Lithium-Ionen-Systemen im Betrieb (OSLiB) sollen von der Zelle bis hin zum System sicherheitskritische Zustände für Lithium-Ionen-Batterien untersucht werden. Die Untersuchungen starten ausgehend von eigens gefertigten Zellen mit abweichenden Produktionsparametern, wie z.B. einer unvollständigen Elektrolytbenetzung oder fehlerhafter Elektrodenpositionierung, um alterungsbedingte Effekte in der Zelle nachzubilden, die sicherheitsrelevante Auswirkungen, wie z.B. Lithium-Plating, nach sich ziehen. Neben den eigens gefertigten Zellen sollen aber auch kommerziell erhältliche Zellen, die als Referenz dienen, untersucht werden. In einem ersten Schritt wird das Zellverhalten in verschiedenen Betriebsphasen (Laden, Pausen, Zyklisierung) und Bedingungen (Temperatur, Druck (nur bei Pouchzellen)) untersucht. Dabei werden zum einen Diagnoseverfahren angewandt, die für den online Einsatz auf eine zusätzliche Anregung und Hardware angewiesen sind. Zum anderen sollen online Diagnoseverfahren untersucht werden, die lediglich auf „klassischen“ Batteriemanagementsystem-Daten (Spannung, Strom, Temperatur) und daraus abgeleiteten Größen beruhen. Ziel der Untersuchungen auf Zellebene sind die Diagnose von sicherheitskritischen Zuständen, wie Lithium-Plating, kritische Temperaturen und die Detektion von Fein-/Kurzschlüssen. Dabei soll ebenfalls untersucht werden, wie sich sicherheitskritische Zustände einfach mit kommerziellen Zellen nachbilden lassen. In einem zweiten Schritt sollen die Auswirkungen der sicherheitskritischen Zustände von der Zellebene auf Systemebene skaliert und betrachtet werden. Hier soll vor allem die Lokalisierung von sicherheitskritischen Zellen in einem parallelen oder seriellen Verbund durch das Aufdecken einer Inhomogenität (Temperatur, Stromaufteilung, etc.) unter den Zellen untersucht werden. Dabei spielt nicht nur die Inhomogenität an sich eine Rolle, sondern auch die Rate mit der sich diese ändert. Die Lokalisierung der Inhomogenität soll letztendlich den gezielten Einsatz der Diagnoseverfahren, die auf Zellebene ansetzen, erleichtern. In einem dritten Schritt gilt es, die diagnostizierten Zustände zu validieren. Dazu werden (Post-Mortem) Analysen herangezogen, die die Auswirkungen in den Zellen untersuchen. Dabei soll unter anderem die Menge und Art des Lithium-Plating mittels Festkörper-NMR und Gaschomatografie quantifiziert werden. Final sollen die nötigen Anforderungen an das Batteriesystem und das BMS erarbeitet werden, um die Diagnoseverfahren anwenden zu können. Im Fokus liegen die Anforderungen an die Messsysteme (Abtastrate und Messgenauigkeit), die Anwendbarkeit auf unterschiedliche Systemverschaltungen (seriell und parallel), das Zellformat und die Zellchemie, sowie der Betriebszustand und Randbedingungen. Ebenfalls soll die Fehleranfälligkeit der Diagnoseverfahren beurteilt werden. Mit den onlinefähigen Detektionsmethoden für Lithium-Plating, Temperaturanomalien und Feinschlüsse können die gängigsten sicherheitskritischen Ereignisse im Betrieb erkannt werden. Somit können neue Zellkonzepte zeitnah in Systemprototypen im Betrieb auf ihre Sicherheitseigenschaften untersucht und ohne aufwändige Post-Mortem Untersuchungen bewertet werden. Dies ermöglicht kurzfristige Rückmeldungen an die Zellentwicklung und eine schnelle Weiterentwicklung von neuartigen Zelldesigns. Zudem können Sicherheitsmargen aufgrund der verbesserten online Diagnostik reduziert werden. Damit liegt OSLiB auch sehr nahe am Ziel der Innovationspipeline – einer Technologie die bereit für die Industrie ist und will dies auch mit dem Einsatz von kommerziellen Zellen und einem BMS Demonstrator veranschaulichen. Durch den Einsatz von standardmäßig erhältlichen Daten für die Diagnose werden wenig neue Systemkomponenten benötigt. Durch die Onlinefähigkeit können sicherheitskritische Zustände frühzeitig erkannt werden, wodurch sich vorzeitige Systemausfälle und folglich vermehrte Entsorgungskosten vermeiden lassen.
© BMBF