Forschung
BMBF-Nachwuchsgruppe „Kems4Bats“
Die Wärme- und Gasentwicklung innerhalb der Batterie kann unterschiedliche Gründe haben. Einer davon ist die Bildung der sogenannten Solid-Electrolyte-Interface. Dies ist eine Schutzschicht an der Anode. Sie ist maßgeblich für die Leistungsfähigkeit und Stabilität der Batterie verantwortlich. Auch Zersetzungsreaktionen der Batteriematerialien können zu einer starken Gas- und Wärmeentwicklung führen. Im schlimmsten Fall zum sogenannten Thermal Runaway, der die Batterie zerstört.
Wir entwickeln gemeinsam mit der Industrie die Batterie-Kalorimetrie und die Kems-Methodik weiter, um grundlegende Werkstoffeigenschaften besser zu bestimmen und chemisch-physikalische Prozesse wie Phasenumwandlungen, Zersetzungsreaktionen und deren Kinetik unter Anwendung von innovativen experimentellen Analysemethoden besser zu verstehen.
Wir untersuchen Alterungseffekte von Batteriematerialien unterschiedlichster Materialchemie und (Mikro-)Nanostrukturierung. Die Batteriematerialien sollen potenziell geeignet sein für das High Power Charging. Das Aufladen einer Batterie innerhalb von 15 min bei gleichzeitig erhöhter Energiedichte und Langlebigkeit.
Die Forschungsgruppe Kems4Bats wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und durch Industrie- und Wissenschaftspaten unterstützt.
Sie ist direkt der High-Tech-Strategie 2025 der Bundesregierung zugeordnet auf Grundlage des BMBF-Rahmenprogramms „Vom Material zur Innovation“.
Industrieller Beirat
Wissenschaftlicher Beirat
Forschungsprojekte
State of Health
Im Forschungsvorhaben „SOH“, wird ein Batterie-Sensor entwickelt auf Basis von Impedanzspektroskopie-Messungen. Die ermittelten Daten werden auf dem Batterie-Sensor mit einer neuartigen Software auf Basis von neuronalen Netzen ausgewertet.
Der Ladezustand (SOC: State of Charge) und der Alterungszustand (SOH: State of Health) wird bei elektrifizierten Fahrzeugen lediglich abgeschätzt. Der miniaturisierte Sensor soll erstmals im bauraumbegrenzten Bereich von E-Autos zur Anwendung kommen. Er soll genau den aktuellen Ladezustand (SOC) sowie den Wärmefluss bestimmen. Ein thermisches Durchgehen (Thermal Runaway) kann dadurch verhindert werden.
Alterungsverluste der Batterie sollen erstmals bei der Reichweiten-Prognose mit einbezogen werden. Informationen wie der Fahrstil des Fahrers, die geplante Strecke und Umgebungseinflüsse wie das Wetter werden in die Auswertung mit einfließen.
Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unter Industrie-Beteiligung gefördert.
Battery-Recycling
Im Forschungsvorhaben „BaKaRe“ wird ein neuer, energieeffizienter und umweltschonender Recyclingprozess für Li-haltige Altbatterien entwickelt.
Die Reinheit der gewonnenen Li-haltigen Komponenten soll mindestens 90 % betragen. Aufgrund des wachsenden Bedarfs für Li-Ionen-Batterien, umweltbedenklichen Methoden und starken regionalen Abhängigkeiten der Li-Gewinnung, besteht ein großes Interesse an technologisch neuen und wirtschaftlichen Verfahren für ein verbessertes Li-Recycling.
Das Verfahren wird ohne chemische bzw. hydrometallurgische Behandlung funktionieren. Hierzu wird ein spezielles Mahlverfahren durch eine sensortechnische Überwachung ergänzt
Durch das stark wachsende Segment der Batteriehersteller wird aufgrund der ebenso steigenden Nachfrage nach Ausgangsprodukten ein zukünftiger hoher Marktbedarf an Recycelten Batteriematerialien erwartet.
Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unter Industrie-Beteiligung gefördert.
HTES
Im Forschungsvorhaben „HTES“ wird ein hochleistungsfähiger Latentwärmespeicher auf Basis von neuartigen Salz-Keramik-Kompositmaterialien mit einer Speicherdichte von 200 kWh/m³ entwickelt. Ein Demonstrator des Speichers soll im Großkraftwerk Mannheim getestet werden.
Aktuell wird anfallende Abwärme kaum für Energieumwandlungsprozesse wiederverwertet. Die Nutzung solcher Abwärmeverluste mittels Wärmespeicher bietet enormes Potential für ein effizientes und ökologisches Energiemanagement und eine Reduktion an CO2-Emissionen.
Durch den Phasenwechsel in der Salz-Keramik wird die Wärmespeicherung von industrieller Abwärme auf hohem Temperaturniveau von 350 °C bis zu 800 °C möglich. Ein sicheres Handling des Kompositmaterials wird durch das Einbetten des Salzes in eine poröse Oxidkeramikmatrix gewährleistet.
Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unter Industrie-Beteiligung gefördert
Batterie-Produktion
Im Forschungsvorhaben „Bat-Production“ wird eine eigene Batterie-Produktion im Labormaßstab aufgebaut. Die komplette Prozesskette einer Batterie-Produktion wird dabei nachgebildet. Beginnend von der Aufbereitung der Batterie-Pulver, Beschichtung der Stromableiter und den notwendigen Trocknungsprozess.
Die hergestellten Batterien (Pouch- oder Rundzellen) haben beispielhaft die Größe, um im Elektrofahrzeug von unserem „Delta-Racing Team“ eingesetzt werden zu können.
Außerdem können in speziellen Testsystemen, die Materialeigenschaft der selbst-hergestellten Batteriematerialien untersucht werden.
Zum Beispiel bestimmen wir über die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) den Li-Diffusionskoeffizient. Ein wichtiger Parameter, wenn es um das schnelle Aufladen von Batterien geht (Power Charging).
Aber auch klassische Messungen an einzelnen Elektroden können vorgenommen werden:
Wieviel Energie kann das Elektrodenmaterial speichern?
Wie oft kann ich mein Elektrodenmaterial (Ent-)Beladen?
Wie thermisch stabil ist das neue Elektrodenmaterial?
Das Vorhaben wird flankiert durch die BMBF-Nachwuchsgruppe Kems4Bats. Finanziell unterstützt durch den Allgemeinen Studierendenausschuss (AStA / QS-Mittel) und der Volkswagen AG.
Batterie-Testzentrum
Im Forschungsvorhaben „Bat-Cave“ wird ein Batterie-Testzentrum aufgebaut, in dem größere Batterie-Module in einer sicheren Umgebung getestet werden kann. Hochpräzise kann die Kapazität und der Alterungszustand bestimmt werden.
In speziellen Klimaschränken können einzelne Batterie-Zellen aber auch größere Batterie-Module in einem Temperaturbereich zwischen -10 °C und 100 °C (ent-)beladen. Wichtige Batterie-Kenndaten können mit unseren hochpräzisen „Current & Voltage Booster“ festgestellt werden um ein Batterie-Modul für ein Elektrofahrzeug leistungsfähig und sicher zu desginen.
Wieviel Energie kann bei unterschiedlichen Temperaturen und Lastbedingungen gespeichert werden?
Wie ist der Alterungszustand? State of Health?
Das Vorhaben wird flankiert durch die BMBF-Nachwuchsgruppe Kems4Bats. Finanziell unterstützt durch den Allgemeinen Studierendenausschuss (ASTA / QS-Mittel) und der Fakultät Maschinenbau.
