Entwicklung eines Funktionsmusters für ein modulares Lithium-Ionen-Batteriesystem auf Basis der hydraulischen Verpressung von Einzelzellen (LiModPress)

Im Projekt LiModPress (Entwicklung eines Funktionsmusters für ein modulares Lithium-Ionen-Batteriesystem auf Basis der hydraulischen Verpressung von Einzelzellen) untersuchen die Westfälische Hochschule Gelsenkirchen und die Hochschule Bochum gemeinsam eine Technologie, die zu kompakteren und leistungsfähigeren Batteriesystemen führt. Geleitet wird das Projekt von Prof. Dr. Michael Brodmann (Westfälische Hochschule Gelsenkirchen) und Prof. Dr. Michael Schugt (Hochschule Bochum)

Herausforderung

Für batteriebetriebene Geräte sind Lithium-Ionen-Batterien zurzeit das Maß aller Dinge, denn sie haben viele Vorteile: Sie haben eine hohe Energiedichte und vertragen hohe Entladeströme, und mit unterschiedlichen Anoden- und Kathodenmaterialien lassen sich die Leistungseigenschaften weiter verfeinern. Vor allem mit der Elektromobilität nehmen allerdings die Anforderungen an Leistungsfähigkeit und Lebenserwartung von Batteriesystemen stetig zu. Lithium-Ionen-Batteriezellen altern durch mechanische Belastung, weil sie sich beim Laden ausdehnen und beim Entladen wieder zusammenziehen. Außerdem führt die Wärmeentwicklung innerhalb der Batterie zur Alterung. Es gibt verschiedene Ansätze, diese Prozesse zu verhindern: etwa eine mechanische Verspannung mehrerer Zellen, die die Volumenänderungen reduziert, sowie direkte oder indirekte Kühlung. Die Optimierung der Langzeitstabilität und das thermische Management zählen zu den wichtigsten Aufgaben bei der Entwicklung von Batteriesystemen.

Ziele und Vorgehen

Das LiModPress-Projektkonsortium will aufzeigen, dass die hydraulische Verpressung von Batteriezellen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren die Leistungsfähigkeit sowie die Langzeitstabilität verbessert und die Alterung verlangsamt. Entwickelt wurde die hydraulische Verpressung von Einzelzellen von der Westfälischen Hochschule. Erste Untersuchungen bei Brennstoffzellen zeigen eine wesentlich verbesserte Stromdichte- und Temperaturverteilung. Um das Verfahren an Lithium-Ionen-Batteriezellen zu testen, wird ein Funktionsmuster entwickelt, das die von einem Hydraulikmedium umspülten Zellen separat verpresst. Dies optimiert die notwendige Kühlung der Batteriezellen und ermöglicht eine einfachere Integration des Thermomanagements in das Batteriesystem. Das Funktionsmuster enthält mehrere Batteriemodule mit bis zu sechs hydraulisch verpressten Lithium-Ionen-Batterien und wird mit mechanisch verspannten Zellstapeln mit sechs Zellen des gleichen Typs verglichen.

Innovationen und Perspektiven

Die hydraulische Verpressung von Einzelzellen in Stapeln ist einzigartig und wurde von der Westfälischen Hochschule bereits umfassend patentiert (USA, Kanada, PRC, Japan, EU). Literaturrecherchen zeigten, dass dieses Konzept potenziell stabilitäts- und leistungsreduzierende Effekte vermindern und sogar verhindern kann. Da all diese Effekte direkt oder zumindest indirekt abhängig von der Temperatur der Zellen sind, wirkt sich das temperierte Druckmedium zudem positiv auf die Zellstabilität aus. Das in dem Projekt entstehende neuartige Batteriesystem eröffnet somit ein breites Spektrum an innovativen Designansätzen für Kühlkonzepte und ein weiteres Feld der Batterietechnologie für mobile und stationäre Anwendungen. Da die Patentrechte bei der Westfälischen Hochschule liegen, bleibt das Know-how in der Region und ergänzt dort die Kompetenz im Bereich der Elektromobilität, die sich zurzeit rasant entwickelt.