Fraunhofer Teststand, Bild: Fraunhofer Kassel/Beushausen
Teststand zum Starten eines Autos wahlweise durch eine virtuelle oder reale Batterie; die Kurve auf dem Bildschirm zeigt den Spannungsverlauf beim Starten. Bild: Fraunhofer Kassel/Beushausen

Bestechend ist auch die Flexibilität des Modells. Nach dem relativ einfachen Austausch einiger Parameter repräsentiert es zum Beispiel an Stelle einer Lithium-Eisen-Phosphat- eine Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid-Zelle. Puchtas Abteilung am IWES entwickelte das Modell ISET-Lib für Li-Ionenzellen. Wie das Modell für Blei-Säure-Batterien (ISET-Lab) kann es auch den Alterungszustand einer Zelle darstellen.

Dass eine virtuelle Batterie schnelle Lastwechsel exakt und in Echtzeit simulieren kann, demonstrierten Experimente in den IWES-Labors, bei denen der zeitabhängige Spannungsverlauf beim Start eines realen Autos errechnet und aufgezeichnet wurde. Zum Vergleich erfolgte der Startvorgang mittels einer herkömmlichen Batterie. Aber wie ein Auto mit einem System aus Gleichungen starten? Software kann man nicht mit Stromkabeln verbinden.

Matthias Puchta, Fraunhofer IWES, Bild: Fraunhofer IWES
„Reale Batterien auf definierte Zustände zu konditionieren ist langwierig und kostet Geld.“ Matthias Puchta, Fraunhofer IWES

Die Lösung lautet hardware in the loop. Die Kabel, die im Auto an eine Batterie angeschlossen sind, werden auf einem Teststand mit einem Netzgerät verbunden. Dieses wird von einem Computer gesteuert auf dem das Modell einer Batterie installiert ist. Angenommen, die Software ist auf einen Ladezustand von 50 Prozent und auf eine bestimmte innere Temperatur eingestellt, so ermittelt sie die betreffende Klemmenspannung für den Start und gibt ein entsprechendes Signal an das Netzgerät. Der Messwert für den beim Startvorgang fließenden Strom wird als Eingangsgröße an das Modell übermittelt, das dann einen neuen Spannungswert ermittelt.

„Bei der Untersuchung des Startverhaltens eines Automobils ist es notwendig, die Tests mit Batterien in bestimmten Lade- und Temperaturzuständen durchzuführen. Reale Batterien auf definierte Zustände zu konditionieren, ist langwierig und kostet Geld“, sagt Puchta. Leichter tut man sich dagegen mit einem Modell, bei dem zur Konditionierung einige Mausklicks genügen.

So lassen sich auch bei der Zellentwicklung am Computer Zeit und Kosten einsparen. Denn ein neues Zelldesign lässt sich mit einem Modell auch ohne die Herstellung teurer Prototypen testen. Trotzdem bilden die beschriebenen Modelle die Zellen nur so genau ab, wie es für Fragestellungen in der Industrie notwendig ist. Für Spezialfälle, etwa die Analyse störender Ablagerungen auf der Li-Anode, sind derzeit noch keine mathematischen Konstrukte in Gebrauch.

Li-Anode steigert die Energiedichte

Untersuchungszelle, Bild: Wandt, TU München
Die Zelle für die Untersuchungen hat einen Durchmesser von nur sechs Millimetern. Die Kathode aus Lithium-Eisen-Phosphat ist 20 Millimeter lang. Bild: Wandt, TU München

Die Li-Anode ist besonders interessant, lässt sich doch mit ihr die Energiedichte von Batteriezellen theoretisch um 50 Prozent steigern. Denn bereits nach dem ersten Lade-/Entladezyklus lagert sich Lithium in einer ungünstigen Morphologie ab, wie elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen. Dies kann die Zellkapazität erheblich verringern oder die Anode sogar vollends zerstören.

Um das Phänomen zu erforschen entwickelte Johannes Wandt vom Lehrstuhl für Elektrochemie an der Technischen Universität München eine Minizelle und führte an präparierten Anoden elektronenmikroskopische Untersuchungen durch. Josef Granwehr und sein Team vom Institut für Energie- und Klimaforschung in Jülich analysierten die Zellen mittels Elektronenspin-Resonanzspektroskopie (EPR). Die dabei verwendete Mikrowellenstrahlung hat den Vorteil, dass sie nur gering in das zu untersuchende Lithium eindringt und so sehr sensitiv ist für die Zunahme der Oberfläche in Folge schwammartiger oder dendritischer Ablagerungen.

Josef Granwehr, Institut für Energie- und Klimaforschung Jülich, Bild:  Institut für Energie- und Klimaforschung Jülich
„Enthält die Zelle einen herkömmlichen Elektrolyten ist im EPR-Spektrum bereits nach dem ersten Lade- und Entladezyklus eine charakteristische Signaländerung zu sehen.“ Josef Granwehr, Institut für Energie- und Klimaforschung Jülich

Zwei Phänomene erscheinen als ursächlich für die schwammartigen Ablagerungen. Zum einen entstehen beim Entladen auf der Li-Oberfläche Vertiefungen mit Ansatzstellen für Ablagerungen. Zum anderen bildet sich zwischen Elektrolyt und Anodenoberfläche kontinuierlich eine Grenzschicht aus. Diese besteht bei Zellen mit Standardelektrolyt aus anorganischen Li-Salzen. Sie haftet nur gering an der Anodenoberfläche und bricht an einigen Stellen, wenn sich das Volumen der Anode in Folge von Li-Niederschlägen beim Laden vergrößert.

„Enthält die Zelle einen herkömmlichen Elektrolyten, ist im EPR-Spektrum bereits nach dem ersten Lade-/Entladezyklus eine charakteristische Signaländerung zu sehen“, sagt Granwehr. Diese korreliert mit den in elektronenmikroskopischen Aufnahmen sichtbaren erheblichen Ablagerungen. Enthält der Elektrolyt als Zusatz Fluorethylencarbonat (FEC), ist die Messkurve zunächst nur geringfügig verändert, und die Ablagerungen fallen wesentlich dünner aus. Schon nach dem sechsten Zyklus sind die mikrostrukturierten Ablagerungen ungefähr 66 Mikrometer beziehungsweise 22 Mikrometer dick, wenn der Elektrolyt FEC enthält.

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