EPISODE – European Produced SustaInable SODium-Ion BatteriEs for Stationary Applications

Im Rahmen des »EPISODE« Projekts werden in einer innovativen, europäischen Wertschöpfungskette Batteriezellen und Batteriespeicher auf Basis von Natrium-Ionen-Zellen entwickelt, die als zukunftsweisende Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batteriespeichern dienen. Diese neuartigen Speicher zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte sowie eine bemerkenswerte Langlebigkeit aus. Dank ihrer sehr hohen Energieeffizienz, der intrinsischen Sicherheit und der hervorragenden Recyclebarkeit stellen sie ein besonders nachhaltiges Produkt dar. Am Ende des Projekts wird die Leistungsfähigkeit dieser Technologie mit einem 6,2 kWh Batteriespeicher im Dauerbetrieb eindrucksvoll demonstriert.

Das Projekt »EPISODE« hat es sich zur Aufgabe gemacht, Batteriezellen und Batteriespeicher auf Grundlage der Natrium-Ionen Technologie zu entwickeln. Die von den Partnern hergestellten Batteriematerialien, Hard Carbon aus Biomasse für die Anode, Schichtoxide für die Kathode, sowie Elektrolyte mit ionischen Flüssigkeiten, gewährleisten die Entwicklung einer besonders nachhaltigen Zelle. Es kann dabei im Gegensatz zur vorherrschenden Lithium-Ionen Technologie auf den Gebrauch von Lithium, Kobalt, Graphit sowie Kupfer verzichtet werden. Das hergestellte Hard Carbon ist nachhaltig und der entwickelte Elektrolyt zudem sicherer als die Elektrolyte der bestehenden Lithium-Ionen Technologie.

Das Fraunhofer ISE gewährleistet die Entwicklung der Zelle durch umfassende Sicherheitsuntersuchungen in einer geschützten Testumgebung. Bei potenziellen thermischen Ereignissen (Thermal Runaway), bei denen hohe Temperaturen, Druckwellen und große, teils toxische Gasmengen entstehen, werden die entstehenden Gasvolumen und deren Zusammensetzungen analysiert, sowie die Energieausbreitung betrachtet. Die Ergebnisse dieser Tests fließen direkt in den Entwicklungsprozess der Zellen und Systeme ein, um die Entwicklungen zu optimieren. Die Zellgröße wird von den Projektpartnern von der Knopfzelle bis zur industriellen 20 Ah Zelle hochskaliert, mit dem Ziel eine Zelle zu entwickeln, die alle für Lithium-Ionen relevanten Sicherheitstests besteht und dabei in ihrem Verhalten unkritischer ist als Zellen auf Basis von Lithium-Eisenphosphat.

Aufbauend auf umfangreichen Vorarbeiten an kommerziellen Zellen mit unterschiedlicher Kathodenzusammensetzung werden wir die im Projekt entwickelten Zellen hinsichtlich Performance und Alterung modellieren und simulieren. Damit leisten wir einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung des Benchmarks, der eine Lebensdauer von mehr als 5000 Vollzyklen für die Zelle vorsieht.

Am Fraunhofer ISE entwickeln wir ein Batteriemanagementsystem (BMS) für diese Zellchemie, das auf Grundlage von MQTT sicherheitsrelevante Daten sowie Performancedaten in Echtzeit überträgt. Dieses modular ausgelegte BMS wird für eine Modulgröße von 2,1 kWh entwickelt und hinsichtlich Rechenleistung, Kosten und Effizienz optimiert. Mit dem neuen BMS wird es möglich sein, den gesamten Lebenszyklus jedes Moduls zu dokumentieren. Das BMS wird in die neu aufgebauten Module und Batteriesysteme integriert. So wird am Projektende ein 6,2 kWh Heimspeicher realisiert, der in einem Probebetrieb von dreitausend Stunden die Qualität der neuen Technologie nachweist.