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06.06.2016

Lithium-Ionen-Batterien: Verbessern durch ├╝berwachen

Externe Platine mit den Sensorfunktionen und der optischen Datenkommunikation. Foto IMS CHIPS

Externe Platine mit den Sensorfunktionen und der optischen Datenkommunikation. Foto IMS CHIPS

Lithium-Ionen-Batterien entwickeln sich zu einer der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Prognosen geben von einem Marktvolumen von bis zu 18 Milliarden Euro in den nächsten fünf Jahren aus – und das nur für Elektrofahrzeuganwendungen. Damit die deutsche Industrie bei der Produktion der Stromspeicher den Anschluss an die führenden Nationen nicht verpasst, entwickeln die beiden innBW-Institute Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) zusammen ein kabelloses Batterieüberwachungssystem. Es soll Produktionsfortschritte ermöglichen und die Zuverlässigkeit im Betrieb gewährleisten. Das im Oktober gestartete gemeinsame Forschungsvorhaben mit dem Namen Smart-LiB wird vom Land Baden-Württemberg mit 500.000 Euro gefördert.

Die Überwachung soll helfen, das Innenleben der Batterien besser kennenzulernen. Mit Hilfe von Sensoren für Spannung, Temperatur und Druck werden die Parameter einer Zelle sowohl in den finalen Produktionsschritten als auch während des Einsatzes der Zelle überwacht. Schwachstellen können so einfacher identifiziert und dadurch schneller beseitigt werden. Das könnte deutsche Unternehmen dabei unterstützen, eine eigene wettbewerbsfähige Batteriezellproduktion aufzubauen.

Kürzlich haben die Projektpartner einen Prototyp, eine Platine mit den Sensorfunktionen und der optischen Datenkommunikation, entwickelt. Die Platine erfasst den inneren Zustand des Batteriestapels aus Li-Ionen-Akkus ohne den derzeit noch notwendigen Verkabelungsaufwand. Mithilfe von Sensoren sollen die Spannung und die Temperatur jeder Zelle erfasst, gespeichert und an eine zentrale Überwachungseinheit geschickt werden. Durch einen Berechnungsalgorithmus in Kombination mit Betriebsparametern soll auf den aktuellen Gesundheitszustand (State of Health, SoH) rückgeschlossen werden können. Eine digitale Verarbeitungseinheit verarbeitet die Sensordaten, analysiert die Befehle der zentralen Überwachungseinheit und antwortet mit den angeforderten Sensor-/Zustandsdaten. Die Signale sollen aus dem Gehäuse herausgeführt werden, ohne Dichtigkeitsprobleme zu erzeugen.

Noch liegt die Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen fast ausschließlich in asiatischer Hand. Sie ist äußerst profitabel: Rund 40 Prozent der Wettschöpfung von Elektroautos entfallen auf die elektrochemischen Energiespeicher. Ab 2020 sollen aufgrund der höheren Marktdurchdringung die Umsätze der Batteriebranche weiter steigen. Mit einer Batteriefertigung könnte die deutsche Wirtschaft ihre Exportchancen auf dem internationalen Zukunftsmarkt wahren.

Das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) ist eine gemeinnützige Stiftung im Land Baden-Württemberg und betreibt wirtschaftsnahe Forschung auf den Gebieten Siliziumtechnologie, Nanostrukturierung, Anwenderspezifische Schaltkreise (ASICs) und Bildsensorik. Das Institut ist Partner kleiner und mittlerer Unternehmen insbesondere in Baden-Württemberg und arbeitet mit international führenden Halbleiterunternehmen und Zulieferern zusammen. Am IMS CHIPS arbeiten rund 100 Mitarbeiter und Gastwissenschaftler in den Bereichen Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik und Nanostrukturierung.

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) gehört zu den führenden Instituten für angewandte Forschung auf den Gebieten Photovoltaik, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen sowie Energiesystemanalyse. An den drei ZSW-Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 230 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Hinzu kommen 90 wissenschaftliche und studentische Hilfskräfte.

www.ims-chips.de