Kurzbeschreibung des Einzelprojektes

• Erhöhung der spezifischen Energie und Leistungsdichte durch gezielte Weiterentwicklung von Hochleistungsmaterialien auf Zellebene
• Harmonisierung der Test- und Zulassungsbedingungen von Lithium-Ionen-Batterien
• Entwicklung übergreifender Zertifizierungsbedingungen für den deutschen und chinesischen Markt
• Kostenreduzierung durch Standardisierung der Testprozeduren zur Steigerung der Aussagefähigkeit aktueller Batterie-Testverfahren
• Entwurf einer Richtlinie zur Gestaltung von Standard-Pouchzellen für die Prüfung und Anwendung (Format, Sicherheitsmechanismen usw.)
• Einleitung der Normungsvorbereitung auf Grundlage des erarbeiteten Prozessverständnisses der Batteriesicherheitstests (in Zusammenarbeit mit der DKE)

Ausführliche Beschreibung des Einzelprojektes

Herausforderungen und Ziele

Mit zunehmender Etablierung der Elektromobilität steigt gleichzeitig der Bedarf nach immer leistungsfähigeren Fahrzeugen. Dabei stellt die Batterie eine Schlüsselkomponente dar. Zukünftig werden immer größere Energiemengen effizient auf möglichst geringem Bauraum angeordnet. Pouchzellen, die vergleichsweise dicht gepackt werden können, sind prinzipiell zum Aufbau eines solchen bauraumoptimierten Batteriespeichers geeignet. Aktuell bieten Zellhersteller jedoch eine Vielzahl an unterschiedlichen Formaten an, welche eine effiziente und nachhaltige Gestaltung beeinträchtig. Des Weiteren erschweren unterschiedliche länderspezifische Zulassungsanforderungen eine einheitliche Batteriekonfiguration über alle Märkte hinweg.

Eine Bewertung der Sicherheit von einzelnen Zellen, einem Verbund von Zellen oder des kompletten Speichersystems anhand von Experimenten ist bereits in einem simplen Aufbau (einzelne Zelle) zeit- und kostenintensiv. Dieses potenziert sich aufgrund der nicht vorhandenen Standardisierung konventioneller Batteriezellen mit der steigenden Komplexität der Baugruppen (etwa Stack oder Modul). Die hohen Kosten der Sicherheitsbewertung werden unter anderem durch eine Vielzahl verschiedener Tests und die späte Verfügbarkeit funktionsfähiger Testzellen während des Entwicklungsprozesses hervorgerufen, da oftmals anwendungsfallspezifische Zellen (z. B. an Bauraum angepasst) verwendet werden.

Eine Standardisierung von Zellformaten und Sicherheitstests und eine damit einhergehende langfristige Gewährung der Vergleichbarkeit von Testergebnissen sind nach aktuellem Kenntnisstand nicht gegeben. Anforderungen an die Sicherheit, insbesondere bei mobilen Anwendungen (batterieelektrische Fahrzeuge), fordern langfristig eine globale Vergleichbarkeit, sodass hier ein wesentlicher Handlungsbedarf identifiziert wurde.

Gleichzeitig zeigt eine Standardisierung vor allem in Bezug auf die Sicherheitseigenschaften und -tests in den frühen Entwicklungsphasen verglichen mit der aktuellen, konservativen und vornehmlich empirischen Systemauslegung enorme Kosteneinsparpotenziale für die Batteriezell-, -system- und Elektromobilproduktion. Es können so zum einen Skaleneffekte im Einkauf als auch Einsparungen bei überdimensionierten Materialien und Bauteilen genutzt werden. Der Standort Deutschland kann somit mit der Entwicklung eines solch höchst innovativen Standardisierungsansatzes einen Vorteil im kompetitiven Elektromobilitätsmarkt erlangen. Durch die Kooperation mit der chinesischen Partneruniversität wird außerdem sichergestellt, dass die Standardisierungsansätze im Schulterschluss erarbeitet werden und somit für weitere Märkte greifen.

Wesentlicher Forschungsschwerpunkt des Projektes ist neben der Entwicklung neuer Zellkomponenten auch die Standardisierung von Formaten und Sicherheitsprüfverfahren. Dabei verfolgen die Projektpartner das Ziel, die derzeitige Bewertung der Sicherheit von einzelnen Zellen, einem Verbund von Zellen oder des kompletten Speichersystems anhand von Experimenten zu vereinheitlichen bzw. zu harmonisieren und die bereits auf Zellebene zeit- und kostenintensiven Versuche zu reduzieren. Parallel dazu wird die Zellkomponentenentwicklung vorangetrieben, sodass durch einheitliche Zellformate und Sicherheitsmechanismen ein Normentwurf für künftige Standard-Pouchzellen entwickelt werden kann. Dies führt zur Beschleunigung von Entwicklungszyklen und bereitet so den Weg für leistungsfähigere und kostengünstigere Elektrofahrzeuge.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Das Konsortium verfolgt innerhalb des Projektes zwei parallele Arbeitsstränge. Ausgehend von indifferenten Sicherheitstestprozeduren und verschiedenen Pouchzellformatvarianten werden sowohl die Harmonisierung internationaler Normen im Bereich der Batteriesicherheitstests als auch die Entwicklung einheitlicher Zellformate vorangetrieben.

Dazu werden zunächst die Sicherheitsanforderungen aus dem chinesischen und europäischen Markt zusammengetragen und in Korrelation mit den zugehörigen Sicherheitstests (Abusetests) gebracht. Dabei gilt es geeignete Sicherheitsszenarien zur Prävention von exothermen Reaktionen der Lithium-Ionen-Batterie zu identifizieren. Des Weiteren soll im Abusefall eine Propagation von Zell- auf Systemebene verhindert werden. Eine Vielzahl an potenziellen Ursachen können in diesem Zusammenhang bereits auf Zellebene zum initialen Auslöser werden. Diese Daten dienen im Zusammenspiel mit der Festlegung realistischer Lastfälle als Grundlage für die Entwicklung einer übergeordneten Zertifizierungsstrategie, die letztendlich in der Anwendung und Weiterentwicklung der Sicherheitstests mündet und standardisierte Testkonfigurationen möglich macht. Das fördert die Vergleichbarkeit von Sicherheitsbewertungen und mindert Kosten innerhalb des Zulassungsprozesses durch den Wegfall potenziell überflüssiger Tests.

Parallel dazu werden auf Zellebene neue Materialkombinationen untersucht und die Komponentenentwickelung vorangetrieben. Dies beinhaltet sowohl experimentelle Untersuchungen als auch die Marktanalyse von kommerziellen Pouchzellen. Dadurch werden Abhängigkeiten zwischen dem Zellformat, der Zellgeometrie und der potenziellen Zellperformance aufgezeigt, sodass bestmögliche Kombinationen erarbeitet und ein (oder mehrere) Standardformat(e) festgelegt werden können. Die anschließende Entwicklung und Integration zusätzlicher Sicherheitsmechanismen (z. B. Berstscheiben, PTC, CID, PCB) ermöglicht es, den Sicherheitsstandard von Pouchzellen auf ein vergleichbares Niveau wie das der Rundzellen (z. B. 18650) anzuheben.

Zum Nachweis der Plausibilität erfolgt abschließend eine Validierung der erarbeiteten Ergebnisse anhand von Zelldemonstratoren. Dabei wird deren Funktionalität hinsichtlich kritischer Lastfälle überprüft und eine Sicherheitsbewertung durch die zuvor entwickelten Sicherheitstests vorgenommen. Des Weiteren sollen in Zusammenarbeit mit dem DKE erste Normungsvorbereitungen angestoßen werden und die Ergebnisse des Projektes zur künftigen Standardisierung von Zellformaten und Sicherheitstests beitragen.

Um das beschriebene Vorhaben zur parallelen Entwicklung von Sicherheitseigenschaften und Sicherheitstest von Lithium-Ionen-Batteriezellen durchführen zu können, ist ein interdisziplinär agierendes Team zwingend notwendig. Zu diesem Zweck vereinigt die Einrichtung der Battery LabFactory Braunschweig (BLB) der Technischen Universität Braunschweig die Elektrotechnik, Fertigungs- und Verfahrenstechnik, Konstruktionstechnik und Fügetechnik.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Das Forschungsvorhaben „BaSS – Sicherheitstechnische Auslegung von Pouch-Zellen mit zukünftigen High-Performance-Materialien – Standardisierung von Format und Prüfverfahren“ wird im Rahmen des Förderschwerpunktes „Technologieforschung für die Elektromobilität im Verbund mit China (EV-China)“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Dieses sieht einen länderübergreifenden Wissenstransfer zwischen den Forschungsinstituten der Battery Labfactory Braunschweig (BLB) und dem Clean Energy Automotive Engineering Center (CEAEC) der Tongji Universität in Shanghai vor.

Die Zusammenführung und Detaillierung von Standards im Hinblick auf die Zellgeometrie und die dazugehörigen Sicherheitstests sollen im Laufe des Projekts zu folgenden wesentlichen Erkenntnissen führen: Zukünftige Materialentwicklungen (Aktiv- und Inaktivmaterial) sowie Änderungen von Produktionsprozessen und -parametern lassen sich in wesentlich höherem Maße vergleichen. Dies kann letztlich zur Reduktion von Entwicklungsaufwänden und somit zur Steigerung der Effizienz in der Produktentwicklung neuer Materialsysteme national und international genutzt werden. Ferner können länderübergreifend standardisierte Formate eine Steigerung der Sicherheit von Pouchzellen bei gleichzeitiger Vermeidung von Überdimensionierung ermöglichen. So kann die Verbreitung gesteigert und größere Absatzzahlen erzielt, Skaleneffekte genutzt und damit eine Serienentwicklung erst wirtschaftlich ermöglicht werden.

Galerie

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

Undefiniert

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

Projektleiter

Herr Prof. Dr. Thomas Vietor
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig
Langer Kamp  8
38106 Braunschweig
zum Internetauftritt

Telefon: +49 531 391-66671
E-Mail: t.vietor@tu-braunschweig.de

Presse

Herr Filip Vysoudil
Telefon: +49 531 391-3301
E-Mail: f.vysoudil@tu-braunschweig.de