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Reparieren statt Wegwerfen

Forscher ermöglichen die Refabrikation von Batteriesystemen

13. Februar 2023, 13:08 Uhr | Kathrin Veigel

Tom Rüther (r.) und Gregor Ohnemüller arbeiten an der Universität Bayreuth an der Refabrikation von Akkupacks.

Bayreuther Ingenieure haben einen neuen Weg zur Analyse des Batteriezustands gefunden. Er zeigt schnell und unaufwändig, ob eine Batterie ausgetauscht werden muss oder ob es reicht, nur eine der enthaltenen Batteriezellen zu ersetzen. Das war bisher nur durch umfangreiche Messvorgänge feststellbar.

Wenn eine Batterie – ob im Akkuschrauber, Elektrofahrrad oder E-Auto – nicht mehr ausreichend Energie oder Leistung aufweist, hat sie ihr Lebensende erreicht. »Wenn man dann einfach feststellen könnte, dass nur eine einzelne Zelle, nicht die komplette Batterie an ihrem Lebensende ist, müsste man nur diese, nicht den ganzen Akkupack ersetzen«, so Tom Rüther, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme und am Bayerischen Zentrum für Batterietechnik (BayBatt) der Universität Bayreuth.

Aber: »Die Entscheidung für die beste kreislaufwirtschaftliche Option für gealterte oder defekte Akkupacks – das heißt zunächst die Reparatur, Wiederaufbereitung zur Weiterverwendung anstelle einer nachfolgenden stofflichen Verwertung – erfordert bisher umfassende Messungen, Analysen und eine entsprechende Datengrundlage«, erklärt Rüther. Gemeinsam mit Kollegen unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Danzer hat er nun eine Alternative vorgelegt.

Zum Hintergrund: In Bayreuth arbeitet man innerhalb des BMBF-Projekts ReDesign des Kompetenzcluster GreenBatt an Verbesserungen hin zur Circular Economy (Kreislaufwirtschaft) im Batterie-Bereich. Hier geht es vor allem um die Refabrikation von Akkupacks: Dies bezieht sich auf den Austausch einzelner (Teil-)Module oder Zellen, die defekt sind oder ein abweichendes Alterungsverhalten im Vergleich zum Rest der Batterieeinheiten aufweisen. Ob eine signifikante Ungleichheit im Zustand der Akkus vorliegt oder ob alle Zellen gleich gealtert sind, wird bisher anhand aufwändiger Messungen erkannt.

Digitalisierung hilft bei der Analyse

In Bayreuth wird das durch Digitalisierung vereinfacht: Es werden virtuelle Batteriemodule auf der Grundlage der Messung von einzelnen Zellen desselben Typs erstellt. Die Schwankungen von Zelle zu Zelle werden zu Beginn der Lebensdauer bestimmt. Daraus resultiert eine Art »idealtypisches Batteriemodul« unter Berücksichtigung von statistischen Schwankungen. Für die quantitative und qualitative Analyse ist das ein neuartiger vergleichender Analyseansatz.

Die Merkmale der in Serie verbundenen Zellen werden dabei untersucht und mit denen einer ungleichmäßig gealterten Verschaltung verglichen. Für die vielversprechendsten Merkmale wird eine detaillierte Empfindlichkeitsanalyse durchgeführt, bei der der Einfluss der Zell-zu-Zell-Variationen, der Alterungsbedingungen und des Alterungsmechanismus untersucht wird. Das Merkmal mit der höchsten Empfindlichkeit, das sogenannte niederfrequente Minimum, ist in der Lage, einzelne Ausreißer innerhalb einer großen Anzahl von seriell verbundenen Zellen zu erkennen.

Hiermit werden erstmals gezielt Inhomogenitäten innerhalb eines Akkupacks entdeckt. »Wir haben damit eine Methode gefunden, um ökonomisch weniger aufwändig als bisher herauszufinden, ob ein Batteriemodul ungleichmäßig gealtert ist, was uns neue Handlungsmöglichkeit bei der Bewertung von unterschiedlichen Kreislaufwirtschaftsoptionen gibt«, fasst Rüther zusammen.

Für die Refabrikation von Batteriemodulen oder -systemen, beispielsweise aus der Elektromobilität, und der Weiternutzung geeigneter Zellen oder Module anstelle deren Verschrottung ist die Zustandsbewertung eine wesentliche Voraussetzung. Entsprechende Analysemethoden sind daher wichtiger Türöffner für Werterhalt und Weiterverwendung.

Damit hebt sich die Bayreuther Forschung von den weiteren Zielen des BMBF-Forschungscluster GreenBatt ab: Diese kümmern sich vor allem um das stoffliche Recyceln, also die Rückgewinnung von Materialien und Stoffen aus Batterien und deren Rückführung in den Stoffkreislauf.

Das GreenBatt-Team am BayBatt widmet sich jedoch ganz bewusst der Refabrikation, also dem Wiederaufbereiten auf Teile- beziehungsweise Modulebene und damit dem Wiedernutzbarmachen von Batterien, welche sich vermeintlich an ihrem Lebensende befinden.