Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISEIm Verbundprojekt »batterFLY« arbeiten fünf Forschungseinrichtungen zusammen mit Expert*innen aus der Luftfahrtbranche an innovativen Batteriekonzepten. Sie haben sich die Entwicklung einer Batteriezelle zum Ziel gesetzt, die die hohen Anforderungen an Lebensdauer, Energie- und Leistungsdichte sowie Sicherheit im Luftfahrtbereich erfüllt und die Bestrebung hin zu nachhaltigem Fliegen stärkt.
Hierbei übernimmt das Fraunhofer ISE die Aufgabe der Sicherheitsbewertung, führt Abuse-Tests durch und liefert den Projektpartnern Erkenntnisse zur Einhaltung der strengen Sicherheitsvorgaben.
Entwicklung einer Hochleistungsbatteriezelle für die Luftfahrt
batterFLY
Ausgangslage
Elektrisches Fliegen gilt als wichtiger Baustein zukünftiger klimafreundlicher Mobilitätskonzepte. Gleichzeitig stellt die Luftfahrt besonders hohe Anforderungen an Batteriesysteme: Neben einer möglichst hohen Energiedichte müssen Batteriezellen auch hohe Leistungsanforderungen beim Starten und Landen erfüllen sowie langfristig sicher und stabil arbeiten.
Der aktuelle Stand der Technik zeigt jedoch weiterhin deutliche Einschränkungen. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verlieren nach wiederholten Lade- und Entladezyklen spürbar an Energiedichte und stoßen insbesondere bei Anwendungen in der Luftfahrt an ihre Grenzen. Gleichzeitig sind Entwicklungsprozesse häufig zeitaufwendig und digitale Simulationsmethoden bislang nur begrenzt in die Material- und Zellentwicklung integriert.
Ziel
Das Projekt »batterFLY« kombiniert mehrere innovative Ansätze, um diese Herausforderungen zu adressieren. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung von Batteriezellen mit hochsiliziumhaltigen, vorlithiierten Anoden und nickelbasierten Kathoden. Durch die elektrochemische Vorlithiierung sollen sowohl die Energiedichte als auch die Lebensdauer der Siliziumanoden deutlich verbessert werden.
Gleichzeitig werden neuartige Elektrolytsysteme sowie simulationsgestützte Entwicklungsprozesse eingesetzt. Bereits in frühen Entwicklungsstadien fließen digitale Modelle und Simulationen in die Material-, Zell- und Systementwicklung ein. Dadurch sollen Entwicklungszeiten verkürzt und die Batteriezellen gezielt auf die Anforderungen elektrischer Flugzeuge sowie spätere Zertifizierungsprozesse ausgelegt werden.
Lösungsansatz
Mit der Erhöhung der Energie- und Leistungsdichte, die gerade für die Luftfahrt essentiell sind, steigt auch das Risiko sicherheitskritischer Ereignisse. Das Fraunhofer ISE begegnet dieser Herausforderung im Rahmen des Verbundprojekts »batterFLY« mit einer umfassenden Sicherheitsbewertung für Hochleistungsbatteriezellen in der Luftfahrt. Durch die Entwicklung fortschrittlicher Testverfahren und innovativer Analysemethoden – etwa zur Bestimmung der Gaszusammensetzung bei thermischem Durchgehen und zur Identifikation der dabei ablaufenden chemischen Reaktionen – trägt das Fraunhofer ISE dazu bei, Batterien für den Flugverkehr sicherer zu machen. Die Forschungsergebnisse fließen direkt in die Zelloptimierung ein und stärken so die Wettbewerbs- und Zukunftsfähigkeit der deutschen und europäischen Luftfahrtindustrie.
Zerstörende Untersuchung einer Batteriezelle im 18650-Format in der Presse mit einem definierten Quetschprofil sowie Eindringtiefe und Geschwindigkeit während gleichzeitig Spannung und Temperatur gemessen wird.
Am Projekt beteiligt sind neben dem Forschungszentrum Jülich, die RWTH Aachen University, die Technische Universität München, das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE sowie die Universität Stuttgart.
Die Projektpartner bringen komplementäre Expertisen aus den Bereichen Batteriematerialien, Elektrochemie, Simulation, Sicherheitsforschung und Luftfahrttechnik ein. Dadurch entsteht eine enge Verzahnung von Grundlagenforschung, Zellentwicklung, Sicherheitsbewertung und Flugzeugintegration.
Ein beratendes Industrie- und Anwendungsboard mit Vertreter:innen aus Luftfahrt und Batterieindustrie begleitet das Projekt und bewertet die Industrialisierbarkeit der entwickelten Technologien. Beteiligt sind unter anderem AIR ENERGY Entwicklungs GmbH & CoKG, Customcells Itzehoe GmbH, Lange Aviation GmbH, Pipistrel d.o.o. und Kristl, Seibt & Co. Gesellschaft m.b.H.
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) finanziert das Vorhaben im Rahmen von LuFo VII-1-KTF unter dem Förderkennzeichen 20M2443C.
Überladetest an einer Batteriezelle in einem unserer Mess-Bunker. Dabei blähte sich die Zelle auf und es kam zum thermischen Durchgehen und Flammenbildung.
Förderung
Das Projekt »batterFLY« wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWE) gefördert.
