Fraunhofer verfeinert Impedanz-Messverfahren zur Batterieanalyse

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung stellt ein verfeinertes Messverfahren namens dynamische Impedanz-Spektroskopie vor. Die Betonung liegt auf „dynamisch“, denn das Verfahren an sich ist nicht neu: Die Impedanz lässt sich schon länger indirekt aus dem Verhältnis von Strom und Spannung ermitteln. Sie gibt Auskunft über den Ladestand von Batterien und erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand des Innenlebens mit Kathoden, Anoden oder Elektrolyten bzw. den Sicherheitszustand. „Um alle erforderlichen Daten zu gewinnen, sind aufwendige Messungen und Analyseverfahren erforderlich. Zudem ist die Impedanzmessung bisher nur im Ruhezustand realisierbar. Es kann typischerweise bis zu 20 Minuten dauern, ehe die Daten zur Charakterisierung der Batterie vorliegen“, teilen die Wissenschaftler zum bisherigen Status Quo mit.

Unter Leitung von Professor Fabio La Mantia hat ein Team des Frauhofer IFAM-Instituts das Verfahren nun derart modifiziert, dass die Impedanz-Spektroskopie Messwerte im laufenden Betrieb misst und in Echtzeit verfügbar macht. „Die so gewonnenen Informationen umfassen weit mehr als nur Angaben zur Ladekapazität oder der noch verbleibenden Betriebsdauer, sie zeichnen ein präzises, tiefgehendes und differenziertes Bild des Innenlebens der Batterie“, teilen die Verantwortlichen mit. Daraus lasse sich auch die mögliche Lebensdauer der Batteriezelle individuell vorhersagen. Bestehende Anzeigen des Ladestands, die beispielsweise bei E-Autos in der Fahrzeugelektronik integriert sind, messen zwar auch fortlaufend während der Nutzung, bieten laut dem Fraunhofer IFAM aber weniger Informationen, reagieren deutlich langsamer und sind nicht so genau.

„Die dynamische Impedanz-Spektroskopie eröffnet zunächst neue Möglichkeiten bei der Optimierung des Batteriemanagements und verlängert damit die Lebensdauer der Batterien. Zudem macht sie den Weg frei für den Einsatz der Batterien in sicherheitskritischen Anwendungen“, gibt sich Projektleiter Hermann Pleteit überzeugt. „Solche Systeme könnten etwa in umweltfreundlichen Elektroflugzeugen eingesetzt werden. Dieser Markt beginnt sich gerade zu entwickeln. Auch in der Schifffahrt zeigen die Hersteller Interesse.“

Doch wie funktioniert das innovative Verfahren konkret? Bei der dynamischen Impedanz-Spektroskopie werde dem Entlade- oder dem Ladestrom ein Mehrfrequenz-Prüfsignal überlagert, so die Frauhofer-Experten. „Die unterschiedlichen Frequenzen erlauben Rückschlüsse auf den Status bestimmter Komponenten oder Prozesse in der Batterie. Das Antwortsignal von Strom und Spannung wird bis zu einer Million Mal pro Sekunde gemessen. Alle Daten aus dem hochauflösenden Messverfahren fließen in eine simultan ablaufende Datenverarbeitung.“ Daraus berechne eine Software den Verlauf der Impedanzwerte und schließe auf den Zustand der jeweiligen Batteriezelle. Um trotz der enormen Datenmenge, die bei den hochauflösenden Messungen anfallen, die Ergebnisse in Echtzeit zu erhalten, haben die Fraunhofer-Forschenden einen weiteren Kniff angewandt: „Wir haben Algorithmen entwickelt, die die Datenmengen vor der Analyse deutlich reduzieren, ohne dabei die Informationen zu verfälschen“, schildert Pleteit.

Aus der Impedanz lassen sich auch Rückschlüsse auf die Temperatur innerhalb der Zelle gewinnen. Deshalb könnten Batteriemanagementsysteme mithilfe der Impedanzdaten beispielsweise während der Fahrt im E-Auto sofort registrieren, wenn eine Zelle sich lokal stark erhitzt, teilen die Wissenschaftler mit. „Dann schalten sie die Zelle ab oder drosseln die Leistung. Herkömmliche Temperaturfühler sind damit überflüssig; sie sitzen ohnehin auf der Außenhülle der Batterie und registrieren thermische Probleme nur mit Verzögerung, oftmals ist es dann zu spät und die Zelle bereits geschädigt.“

Und: Die Impedanz-Spektroskopie ist dabei nicht nur für die derzeit üblichen Lithium-Ionen-Akkus geeignet, das Verfahren eignet sich laut dem Fraunhofer IFAM auch für Batterietypen auf Feststoff-, Natrium-Ionen- oder Lithium-Schwefel-Basis oder weitere zukünftige Technologien.

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