Die Forscher:innen des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) haben ein komplettes Batteriesystem als Demonstrator komplett ohne Lithium hergestellt. Statt der bisher in der Regel verwendeten Lithium-Ionen-Elektrolyte basiert der neue Speicher auf Aluminium-Graphit-Dual-Ionen-Batterien (AGDIB). Dies beweise die Stabilität der neuen Batteriezellchemie nicht nur in einer Laborumgebung, sondern auch in einem realistischeren Szenario, betonen die Erlanger Forscher mit Blick auf ihren Demonstrator.
Die wiederaufladbaren AGDIB-Batteriezellen seien eine sichere, kostengünstige Energiespeichertechnologie. Sie kommen nicht nur ohne das kritische Metall Lithium aus, sondern sind nach Angaben der Fraunhofer-Forscher auch gut zu recyceln. Dies mache die Batterie zu einer zukunftssicheren Lithium-Alternative für Hochleistungsanwendungen, wie sie für die dynamische Netzstabilisierung benötigt werde.
Viele Mikrozyklen möglich
Denn die Batterie basiert nicht nur auf den kostengünstigen und leicht verfügbaren aktiven Materialien Aluminium und Graphit. Sie kann auch in sehr kurzer Zeit mit hohen Ladestromstärken, mit vielen Mikrozyklen und geringer Energie geladen und entladen werden. Exakt diese Anforderungen müssen Speicher für die dynamische Netzstabilisierung mittels Ausgleichs von Frequenzschwankungen mitbringen.
Die gesamte Wertschöpfungskette betrachtet
Der neue Batteriedemonstrator basiert auf einer Technologie, die zunächst in früheren Forschungsprojekten auf kleine Pouch-Zellen skaliert wurde. Diese Puch-Zellen sind Batteriezellen in Originalgröße, aber ohne Gehäuse. Bei der Entwicklung des Batteriesystems haben sich die Forscher:innen auf die gesamte Wertschöpfungskette konzentriert. Diese reicht von einer Lithium-freien Zellchemie über die Integration eines drahtlosen Batteriemanagementsystems (BMS) und bidirektionaler, quantenbasierter Stromsensortechnologien bis zum Recycling.
Batteriemanagement integriert
In einem realistischen Testfall konnten die Forscher:innen die Stabilität der neuen AGDIB-Speichertechnologie beweisen. Der Prototyp integriert acht AGDIB-Pouch-Zellen mit einem drahtlosen BMS. Dieses BMS basiert auf der Open-Source-Plattform Fox des Fraunhofer IISB mit sicherer Funkfrequenzkommunikation. Es verfügt außerdem über einen neuartigen diamantbasierten Quantensensor für hochauflösende Strommessungen. Im Vergleich zu herkömmlichen Stromsensoren deckt dieser Quantensensor Messbereich mit fünf Größenordnungen ab. Auf diese Weise wird es möglich, sowohl kleine als auch große dynamische Ströme mit einer sehr hohen Auflösung zu messen.
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Die aktiven Materialien und das Zelldesign von AGDIB wurden im Laufe der Entwicklung der neuen Batterie verbessert, um die Stabilität und Zuverlässigkeit der Zellen zu erhöhen. Zudem mussten die Wissenschaftler:innen reproduzierbare Leistungskennzahlen gewährleisten. Dies ist trotz der manuellen Fertigungstechnologie durch eine korrekte Zellabstimmung möglich geworden.
Mit hohen Leistungen laden
In einem Praxistest haben die Forscher:innen innerhalb des gesamten Batteriemoduls durch Emulation von Momentanreserveanwendungen auf Basis realer Frequenzdaten die Funktionsfähigkeit gezeigt.
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Dabei haben sie bewiesen, dass das System bei dynamischen Hochstromlasten von 10C über lange Zeiträume eine stabile Leistung zeigt. Sie demonstrierten damit auch die Fähigkeit von AGDIB zur Skalierung durch erfolgreiche Zellfertigung, Zellverbindung und Systemintegration. Außerdem kann das System nicht nur mit hoher Leistung entladen, sondern auch mit diesen hohen Leistungen geladen werden, was mit bisherigen Systemen nicht möglich ist.
Recycling gleich mitgedacht
Die Forscher:innen haben auch die Recyclingfähigkeit der Zellen und Module bei der Entwicklung sorgfältig berücksichtigt. Die Recyclingfähigkeit der Zellen wurde anhand eines physikalischen Trennverfahrens bewertet, bei dem keine giftigen Chemikalien zum Einsatz kommen. Dadurch wird die Einrichtung geschlossener Materialkreisläufe erleichtert. Das Moduldesign folgte einer Design-for-Recycling-Strategie, die die aktuellen EU-Vorschriften für die Recyclingeffizienz von Batterien übertrifft und zur Weiterentwicklung und Demonstration dieses nachhaltigen Energiespeichersystems geführt hat.
