Die Langlebigkeit und Haltbarkeit moderner Lithium-Ionen-Akkus ist eine der entscheidenden Fragen für potenzielle Käufer von Elektroautos. Während die Alterung der Energiespeicher bislang meist nur negativ besprochen wurde, sorgt eine aktuelle Studie der TU Graz nun für eine gänzlich neue und unerwartete Perspektive. So haben Untersuchungen eines Forscherteams im Rahmen des Projekts "SafeBattery" ergeben, dass gealterte Batteriezellen bei mechanischer Belastung eine höhere Steifigkeit aufweisen als neue. "Diese Veränderung bedeutet aber nicht zwingend, dass Batterien im Alter gefährlicher werden. Im Gegenteil: Die Summe der Einflüsse mache sie über die Zeit sicherer, weil sie auch elektrische Energie verlören, so Projektleiter Christian Ellersdorfer vom Institut für Fahrzeugsicherheit an der TU Graz. Durch das reduzierte Energiepotenzial von gealterten Batterien sinkt demnach die Wahrscheinlichkeit von unfallverursachten Batteriebränden.
Was kann man einer Batteriezelle zutrauen?
Gemeinsam mit Industriepartnern wie AVL, Audi oder Daimler wurden Szenarien beforscht, die eine Batterie im Laufe ihres Lebens erleben kann: etwa Vibrationen und starke Beschleunigungen durch Parkrempler, schwere Unfälle und das ständige Laden und Entladen der Batterien. Mithilfe von Crashtests, Simulationsmodellen und Berechnungsverfahren konnten die Forschenden feststellen, dass Vibrationen und Beschleunigungen das Verhalten von Batterien kaum beeinflussen. Deutlichere mechanische und elektrische Veränderungen zeigten sich allerdings durch das ständige Laden und Entladen der Batterie. Dank der Forschungsergebnisse wissen die Hersteller jetzt, was sie einer Batteriezelle zutrauen können. Das ermöglicht materialsparende Designs und mehr Effizienz, wie Ellersdorfer erklärt: "Bislang wurde die Batterie so verbaut, dass Deformationen bei jedem erdenklichen Szenario ausgeschlossen werden konnten. Jetzt können die Hersteller den Bauraum besser nutzen. Und Sicherheits-Checks einer neuen Zelle besitzen Gültigkeit für die gesamte Lebensdauer der Batterie."
Sicherheitsfaktoren für die Nachnutzung
In der Zeitleiste eines Batterielebens geht das SafeBattery-Konsortium jetzt einen Schritt weiter: Im jüngst gestarteten Comet-Projekt SafeLIB werden die Veränderungen in Batterien gemeinsam mit weiteren Partnern (darunter Infineon, Fronius und Mercedes) genauer beleuchtet, um daraus Sicherheitsfaktoren für die Nachnutzung ableiten zu können. "Für E-Autos sind gebrauchte Batterien mit einer Leistungskapazität von 80 Prozent nicht mehr geeignet, sehr wohl aber für stationäre Energiespeicher oder für Werkzeugmaschinen. Dafür ermitteln wir erstmals allgemeingültige Messgrößen im Bereich der Sicherheit", so Ellersdorfer.
Die Forschenden bedienen sich dabei der weltweit einzigartigen Prüfstandstechnik für Batteriensicherheit im Ende 2020 eröffneten Battery Safety Center Graz. Dort kann das Vorleben einer Batteriezelle in einem noch nie da gewesenen Detailgrad untersucht werden. Berücksichtigt werden außerdem die rechtlichen Rahmenbedingungen zur Wiederverwendbarkeit. Neben dem sogenannten "State of Health", der die vorhandene Restkapazität und Leistungsfähigkeit einer Batteriezelle wiedergibt, soll so schlussendlich ein "State of Safety" definiert werden, mit dem der Sicherheitsstatus einer Batterie über den gesamten Lebenszyklus beurteilt werden kann.