Die Sensorik spielt bei der Erkennung von kritischen Zuständen von Lithium-Batterien eine wesentliche Rolle. Im Transferprojekt mit dem Innovationslabor Batterielogistik des Fraunhofer Institutes für Materialfluss und Logistik konnten wir unseren Gassensor aus dem Monilog® Datenlogger-Portfolio weiterentwickeln. Für die sichere Erkennung von Gasen, die bei einer Batteriehavarie typischerweise austreten, kam auch Künstliche Intelligenz zum Einsatz.
Für die Logistik spielt das Detektieren von sicherheitskritischen Lithium-Batterien eine wichtige Rolle. Während das Thema bei neuen Batterien naturgemäß eine eher untergeordnete Rolle spielt, wird es bei älteren, ausrangierten Batterien immer wichtiger – erst recht mit Blick auf eine massenhafte Verbreitung der Elektromobilität. Solange sich Batterien im Auto befinden, warnt das Batteriemanagementsystem (BMS) als elektronische Steuerungseinheit des Akkus vor einem möglichen Thermal Runaway. Ausgebaute Batterien, die ihren Weg ins Second Life antreten, zur Weiternutzung oder zum Recycling, müssen anders überwacht werden. Zurzeit kommen hier in der Regel berührungslose Infrarot-Temperaturmessgeräte zum Einsatz. Temperaturmessungen bei Batterien stoßen jedoch an Grenzen, wenn diese nicht direkt auf die Batterieoberfläche schauen können bzw. die Batterieoberfläche nicht zugänglich ist. Eine Alternative ist der Einsatz von Gassensoren. Denn: Batteriehavarien kündigen sich nicht nur durch einen Temperaturanstieg an, sondern auch durch das Austreten sogenannter Schadgase, darunter Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und kurzkettige Kohlenwasserstoffe.
Ziele des Transferprojekts
- Nachweis der Sensorfunktionalität hinsichtlich der Messgenauigkeit bei Wasserstoff und Kohlenwasserstoff, der Verifikation der Sensorfunktionalität anhand realer Batterietests.
- Nachweis der Reproduzierbarkeit und der Selektivität der Zielgasdetektion
- Definition einer Zeitspanne vom Zeitpunkt der Erkennung einer beginnenden Havarie bis zum kompletten Durchgehen der Batterie bei definierten Randbedingungen
- Ableiten von Grenzwerten bestimmter Gaskonzentrationen, ab denen ein Thermal Runaway sicher bzw. wahrscheinlich eintritt
Für den industriellen Einsatz dieser Gassensoren in der Batterielogistik allerdings fehlten Nachweise der Sensorfunktionalitäten. Die üblichen Reaktionsgase eines Thermal Runaways sind außerhalb von Laborbedingungen nur schwer zu erzeugen. Daher war ein realistischer Testaufbau für das Anlernen von Gasmesssensoren erforderlich. Genau diese Tests konnte Cicor im Rahmen eines Transferprojekts des InnoLogBat mit einem Forschendenteam am Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut HHI, einem der wissenschaftlichen Partner des InnoLogBat, durchführen. Im Batterie- und Sensoriktestzentrums desFraunhofer-Institutes Heinrich Hertz und der Technischer Universität Clausthal in Goslar fanden innerhalb weniger Monate zahlreiche Versuche bzw. Versuchsreihen mit unterschiedlichen Gassensoren und unterschiedlichem Aufbau statt.
30 Minuten bis zum Thermal Runaway
Sämtliche Ziele des Transferprojekts wurde dabei erreicht. In den ersten Versuchsreihen konnte bereits der grundsätzlichen Nachweis erbracht werden, dass die Monilog®-Lösung eine sich entwickelnde Batteriehavarie durch die Messung der Ausgasungen eindeutig erkennen kann. Dazu wurden die Sensoren zunächst Gasen, die bei einer Havarie typischerweise freigesetzt werden, ausgesetzt. Danach wurde sie mittels Machine Learning trainiert, diese Gase in unterschiedlichen Konzentrationen wiederzuerkennen. Gleichzeitig wurden die Sensoren auch mit untypischen Gasen getestet, um Querempfindlichkeiten zu bestimmen.
Die Erprobung und Anpassung von Technologien für den Einsatz in der Batterielogistik ist uns im Forschungsprojekt ein wichtiges Anliegen. Leonard Kropkowski, Fraunhofer HHI
In einer abschließenden Versuchsreihe, die im Februar durchgeführt wurde, wurde in einem ersten Set-up der Thermal Runaway einer Batterie durch das Laden und Erhitzen von Zellen gezielt eingeleitet. In einem zweiten Set-up wurden die Zellen nur so weit geladen und erhitzt, dass eine Gasbildung in den Zellen bewirkt wurde(sichtbares Aufblähen der Zellen), aber ohne Thermal Runaway. In beiden Fällen konnte ein Ausgasen der Zellen beobachtet werden. Dabei zeigte sich, dass der eingesetzte GasSensor auch in verschmutzten Umgebungen die typischen Gase Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe, die bei kritischen Lithium-Ionen- Batterien austreten, sicher detektieren kann. Angelernte Gaszusammensetzungen wurden sicher wiedererkannt, sodass Quereinflüsse aus anderen »Gasquellen«, die zu Falschmeldungen führen, vermieden werden. Eine frühzeitige Erkennung von bis zu 30 Minuten vor Eintreten eines thermischen Durchgehens bei einer kritischen Lithium-Ionen-Batterie wurde ebenfalls nachgewiesen.
Die Zusammenarbeit mit den Forschenden des Innovationslabor Batterielogistik hat unser Produkt und unser Team entscheidend weitergebracht. Alle Ziele des Projektes wurden erreicht Dr. Ronny Leuschner, Head of Monilog®, Cicor
Gasdetektion ist ein wichtiger Baustein
Das Interesse der Industrie an der Entwicklung ist groß, insbesondere von Batterieherstellern, Recyclingunternehmen oder Unternehmen zur Wiederaufbereitung und zur Zweitverwertung von Lithium-lonen-Batterien. Die Gasdetektion ist ein wichtiger technologischer Sicherheitsbaustein für die Überwachung von Lithium-lonen-Batterien. Havarien sind schneller erkennbar und gleichzeitig werden Fehldetektionen vermieden. Der Prototyp des neuen Datenloggers läuft bereits erfolgreich bei mehreren Kunden im Pilotbetrieb und wird regelmäßig weiterentwickelt.
