Neuentwickelte Prototypen der Aluminium-Ionen-Pouchzelle für den Einsatz im INNOBATT-Demonstratorsystem.
© INNOBATT / Fraunhofer IISB
Batterien neu denken: Innovative Aluminium-Batteriesysteme
11. Mai 2023
Düsseldorf
"Eine Batterie neu denken"
Unter dem Motto „Eine Batterie neu denken“ verfolgt das Verbundvorhaben INNOBATT einen neuen Ansatz für anwendungsspezifische Batteriespeicher. Im Rahmen des Projektes wird ein neuartiges leistungsstarkes und ressourcenschonendes elektrisches Batteriesystem entwickelt. Der ganzheitliche Ansatz für anwendungsspezifische Batteriespeicher berücksichtigt die komplette Wertschöpfungskette vom Grundmaterial bis zum späteren Recycling.
Ziel des Konsortiums aus Wissenschaft und Industrie ist die gemeinsame Entwicklung eines nachhaltigen und intelligenten elektrischen Speichersystems, das von vornherein auf ressourcenschonende Herstellung, herausragende Betriebssicherheit und einfache Wiederverwertbarkeit ausgelegt ist. Ausgangspunkt ist die Zellchemie der Aluminium-Ionen-Batterie (AIB), die mit kostengünstigen, nicht entflammbaren Materialien arbeitet und auf kritische Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Kobalt oder Blei verzichtet.
Smarte Partner für ein smartes Aluminium-Ionen-Batteriesystem
Die Partner im Verbundprojekt INNOBATT sind das Fraunhofer IISB als Konsortialführer, der Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (LEB) der FAU Erlangen-Nürnberg, das Forschungszentrum Energiespeichertechnologien EST der TU Clausthal sowie die Unternehmen HIMA Paul Hildebrandt GmbH Brühl und ACCUREC-Recycling GmbH Krefeld. Das Projekt wird im Rahmen des Programms „Batterie2020Transfer“ außerdem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Die Partner verfolgen das Ziel, nachhaltige Batteriesysteme zu entwickeln, die aufgrund einer verbesserten Ökobilanz und der Verfügbarkeit von Rohstoffen aus Materialien im Vergleich zu etablierten Batteriesystemen bestehen. Der Fokus liegt dabei derzeit auf der Entwicklung von wiederaufladbaren Batteriesystemen auf Aluminiumbasis. Aluminium weist für diesen Einsatz vorteilhafte Eigenschaften auf. Die theoretische volumetrische Kapazität einer Aluminium-Metall-Anode ist viermal höher als für metallisches Lithium. Darüber hinaus sind die Kosten deutlich günstiger im Vergleich zu Lithium-Ionen-Systemen.
Im Rahmen des Projekts entwickelt das Konsortium ein revolutionäres Moduldesign mit einem innovativen Batteriemanagementsystem (BMS). Quantenbasierte, hochempfindliche Sensoren sorgen für eine deutlich genauere Überwachung der Betriebsparameter einzelner Batteriezellen. Ein sicheres, drahtloses Kommunikationskonzept sorgt für die hochauflösende Datenübertragung zwischen den Batteriemodulen. Die drahtlose Kommunikation ermöglicht eine erhebliche Materialeinsparung bei der Verkabelung und eröffnet zusätzliche Designvorteile im Batteriesystem. Die durchdachte Zell- und Modulstruktur in Verbindung mit der vereinfachten Systemarchitektur ermöglicht ein ressourceneffizientes Speichersystem, das von Beginn der Entwicklung an auf nachhaltige Materialnutzung und Recyclingfähigkeit ausgelegt ist. Abschließend wird die Leistungsfähigkeit des neu entwickelten Batteriesystems demonstriert und in einem Demonstrator getestet.
Energiewende erfordert leistungsstarke Energiespeicher
Die steigende Nachfrage nach flexiblen und leistungsstarken Energiespeichern macht sich vor allem durch Elektromobilität und Energiewende bemerkbar. Während zu Beginn hauptsächlich technische und wirtschaftliche Fragen im Vordergrund standen, hat die Massenproduktion von elektrischen Batteriesystemen heute eine industriepolitische Bedeutung erlangt. Die Verbreitung und Nutzung von etablierten Batterietechnologien führen zu immer stärker ausgeprägten makroökonomischen, ökologischen und gesellschaftlichen Auswirkungen, die mit einem tiefgreifenden technologischen Wandel einhergehen.
In dieser Hinsicht stehen sowohl die Industrie als auch die Forschung aktuell vor komplexen Herausforderungen, die neue und ganzheitliche Lösungsansätze erfordern. Forschung und Entwicklung im Bereich der Batterietechnologie müssen die gesamte Wertschöpfungskette von den Ausgangsmaterialien bis zum Recycling der Batteriesysteme abdecken. Dabei müssen zahlreiche Aspekte berücksichtigt werden, die möglichst frühzeitig adressiert werden sollten. Je nach Einsatzzweck eines Batteriespeichers stellen sich Fragen zur eingesetzten Zellchemie, zum Zellkonzept bis hin zu Modul- und Systemaufbau inklusive Systemüberwachung und Sicherheit. Die anwendungsspezifische Systementwicklung schließt aber nicht nur die elektrischen Leistungsdaten, den Konstruktionsaufwand und die Praxistauglichkeit ein. Ebenso sind der Materialeinsatz, die spätere Zerlegbarkeit der Systeme und der Einzelkomponenten sowie die Möglichkeiten für die Wiedergewinnung oder Weiterverwendung der eingesetzten Rohstoffe zu betrachten.
Schematische Darstellung des innovativen Projektansatzes zur Einbindung einer neuartigen Batteriezelle in ein Demonstratorsystem mit quantenbasierter Sensorik sowie funkbasierter Datenübertragung und Steuerung mittels foxBMS®.
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