Eingebettet in die Mittelgebirgslandschaft des Harzes, oberhalb der Altstadt von Goslar, die zum Weltkulturerbe zählt, liegt auf dem neuen Energiecampus der Stadt, einem ehemaligen Kasernengelände, das Batterie- und Sensoriktestzentrum (BST). 2014 gegründet vom Fraunhofer HHI und der Technischen Universität Clausthal, bringen die Forschenden hier – gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft – Technologielösungen zur Marktreife. Der wissenschaftlich-technische Schwerpunkt liegt dabei auf der Batteriesicherheit und ihrer Zustandscharakterisierung.
Die Forschenden beschäftigen sich mit neuen Energiespeichertechnologien, insbesondere für dezentrale Anwendungen in privaten und gewerblich genutzten Gebäuden sowie Großspeicheranlagen und eben in der E-Mobilität. »Vor allem Lithium-Ionen-Batterien haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer hohen Energiedichte, Zyklenfestigkeit und Kostenreduzierung bei verschiedensten mobilen Elektronikanwendungen sowie im Verkehrswesen eine rasante und weite Verbreitung gefunden«, erklärt Dr. rer. nat. Antonio Nedjalkov, Gruppenleiter Energiespeichersensorik am Fraunhofer HHI, einem der drei wissenschaftlichen Partner im InnoLogBat. Die Gruppe Energiespeichersensorik entwickelt Messsysteme, mit deren Hilfe genaueste Zustandsänderungen von Batterien erfasst und dem Anwender bereitgestellt werden können.
»Wir finden es gut, dass die Logistik mit dem InnoLogBat-Projekt frühzeitig zentral adressiert worden ist. Momentan läuft vieles noch in improvisierten Abläufen. Aber gerade wenn es in spätestens ein paar Jahren darum geht, eine funktionierende Kreislaufwirtschaft für Batterien aufzubauen, dann sind wir jetzt zur richtigen Zeit am richtigen Ort.«
Dr. rer. nat. Antonio Nedjalkov, Fraunhofer HHI
Für eine wirtschaftliche und nachhaltige Umsetzung werden sehr hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Überwachungs- und Sicherheitssystemen gestellt. Denn Lithium-Ionen-Batterien speichern einerseits große Energiemengen, andererseits können bereits kleinste technische Defekte oder eine unsachgemäße Behandlung zu einer unkontrollierten Abgabe der elektrochemisch gespeicherten Energie führen, was einen Brand bzw. eine Explosion zur Folge hat und zumeist mit einem Ausfall des Gesamtenergiespeichersystems verbunden ist.
So werden am Fraunhofer HHI Sicherheitssysteme konzeptioniert und umgesetzt, die im Fehlerfall einen Verlust des Gesamtsystems verhindern und einen Schutz des Umfeldes gewährleisten. Für die Entwicklung von Sensorik, Charakterisierungs- und Sicherheitssystemen steht ein umfassendes Testportfolio zur Verfügung, mit welchem interne sowie von Kooperationspartnern begleitete Forschungsaktivitäten zielorientiert realisiert werden können.
Frühzeitige Detektion
In das InnoLogBat-Projekt bringen die Forschenden des Fraunhofer HHI ihre Kompetenz insbesondere im Bereich der Sensorik ein. So unterstützen sie das Team über alle Arbeitspakete hinweg, beispielsweise bei Fragen zur Analyse des Leistungsvermögens von Batterien (State of Function), bei neuen Technologien für die Batterielogistik, vor allem bei der Sensorik aus dem photonischen Bereich. Hier geht es etwa um die Bestimmung von Gaszusammensetzungen, Ausdehnungen und Temperaturen. Gleichzeitig besteht am BST die Möglichkeit zur Durchführung von realitätsnahen Versuchen, zum Beispiel der frühzeitigen Detektion von Brandfällen bei Batteriespeichern mithilfe des Einsatzes intelligenter Sensorik.
Standardisierte Konzepte
Das HHI ist auch wesentlich daran beteiligt eine essenzielle Hypothese des Projektes zu erforschen: Während aktuelle Lösungen derzeit die Löschung kritischer Batterien mit großen Wassermengen vorsehen, soll ebenfalls dem Ansatz nachgegangen werden, dass Batterien auch punktuell durch einen Sprühnebel gekühlt werden können. Anhand eines definierten »Worst-Case-Szenarios« im Lager sollen standardisierte Schutzkonzepte sowie Sicherheitsmaßnahmen abgeleitet und etabliert werden.
Insbesondere die Konzeptionierung einer sicheren Lagerung von Batterien nach Ende der automobilen Nutzungsphase und dem damit verbundenen erhöhtem Risiko eines thermischen Durchgehens werden in diesem Zusammenhang erforscht. Ziel ist es, ökologische sowie ökonomische Schäden im Lager bzw. in der Umgebung auf ein Minimum zu reduzieren.
Essentieller Zeitgewinn
Eine wesentliche Rolle dabei spielt auch das IoT-Device, das im Projekt am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML entwickelt wird: Es soll eine Detektion hinsichtlich des Zustandes und des Lagerplatzes der Batterien ermöglichen, durch die ein essentieller Zeitgewinn vor einem möglichen Thermal Runaway, also die Überhitzung der Batterie, die zu einer unerwünschten Kettenreaktion führen kann, gewährleistet ist.
Workshop »Füllmittel zum Transport von Batterien und sicherheitskritischen Batterien«
Sicher verpackt?
Lithium-Ionen-Batterien werden in speziellen Sicherheitsboxen gelagert und transportiert. Das zumeist enthaltene Füllmittel soll sie zusätzlich vor Stößen und Beschädigungen schützen. Insbesondere müssen auch kritische, beschädigte oder defekte Batterien sicher verpackt werden. In der Praxis sind diverse Füllmittel im Einsatz, die laut der jeweiligen Hersteller über eine geeignete Temperaturbeständigkeit und isolierende Eigenschaften verfügen. Im Rahmen einer Masterarbeit am Fraunhofer HHI, die in einem Workshop der InnoLogBat-Partner jetzt vorgestellt worden ist, wurden die gängigen Materialien einer unabhängigen Prüfung unterzogen – von Siliziumdioxid bis Glaswolle, ob Füllkissen oder -perlen. Die letzten Tests in dem Bereich liegen schon länger zurück, die Voraussetzungen haben sich verändert: So ist die Energiedichte von Batterien immer höher geworden. Die ersten Untersuchungen zeigen, dass es noch kein Material am Markt gibt, das alle Anforderungen gleich positiv erfüllt.
Die Masterarbeit soll im kommenden Jahr veröffentlicht werden. Die Ergebnisse stehen dann allen interessierten Unternehmen zur Verfügung.