Projekt Phoenix: Smarte Sensortechnologie für die Selbstheilung von Batterien

Das Fraunhofer ISC hat mit seiner Materialforschung und seinem Technologie-Know-how entscheidende Beiträge zur erfolgreichen Erfüllung eines Meilensteins im EU-Projekt PHOENIX geleistet. In PHOENIX werden Sensoren und Trigger für selbstheilende Batterien entwickelt. Im Rahmen des Meilensteins wurden eine neue Generation von Sensoren sowie Trigger mit optimierten Eigenschaften hergestellt. Die Prototypen sind bereits an die Partner zur Evaluierung geliefert worden.
 

Für PHOENIX entwickelte das Center Smart Materials and Adaptive Systems (CeSMA) des Fraunhofer ISC HASEL-Aktoren, die mechanische Kräfte auf verspannte Batteriezellen ausüben. HASEL steht für »hydraulically amplified self-healing electrostatic« – eine neue Klasse von selbstüberwachenden künstlichen Muskeln in Form von Hochleistungsaktuatoren. Diese koppeln elektrostatische und hydraulische Kräfte, um verschiedene Aktionsmodi zu erreichen. Damit werden druckabhängige Selbstheilungseffekte in der PHOENIX-Batteriezelle initiiert. Die 300 µm dünnen, auf Polymerfolie basierenden HASEL-Aktoren konnten Drücke von bis zu 70 kPa (0,7 bar) erzeugen.

Um zusätzlich Selbstheilungseffekte über die Temperatur zu initiieren, wurden flexible thermische Trigger entwickelt. Diese stellen ihre Maximaltemperatur selbstregulierend ein, um den optimalen Temperaturbereich für die Batteriezelle nicht zu überschreiten. Mit Hilfe von PTC-Materialien (PTC = positiver Temperaturkoeffizient) kann eine homogene Temperaturverteilung über die gesamte Batteriefläche erreicht werden.

Weitere Arbeiten von CeSMA konzentrieren sich auf die Optimierung der Batteriesensorik. Sowohl das thermische als auch das mechanische Verhalten der Batterie wird herangezogen, um Informationen über ihren Zustand zu erhalten. Die Eigenschaften von Materialien mit NTC-Verhalten (NTC = negativer Temperaturkoeffizient) wurden für PHOENIX angepasst. Die modifizierten Materialien lassen sich auf dünne Substrate drucken und können bei moderaten Verarbeitungstemperaturen unterhalb von 120 °C vernetzt werden. Sie werden in PHOENIX als flexible und dünne Temperatursensoren eingesetzt, um die Temperaturentwicklung in der Batteriezelle zu messen und Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand (State of Health, SoH) zu ziehen.

Auch dünne, drucksensitive Elastomersensoren mit angepasster Sensitivität können zusammen mit der Batteriezelle im Modul verbaut werden. Sie erfassen die Ausdehnung der Batteriezelle und den Verspannungsdruck im Modul. Diese Sensoren liefern wertvolle Informationen über den Ladezustand (State of Charge, SoC) und den Gesundheitszustand (SoH) der Zelle.

Als dritte Sensortechnologie werden Ultraschallsensoren genutzt, die von beiden Seiten an der Batteriezelle platziert werden. Sie messen die Time-of-Flight, um so die Ausdehnung der Batterie und Änderungen im mechanischen Verhalten (z. B. E-Modul) zu bestimmen. Es konnte bereits nachgewiesen werden, dass sich mit Hilfe dieser Daten der Gesundheitszustand (SoH) der Zelle überwachen lässt.