StaTrak – Weiter- und Fremdverwendung (Second Life) von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien in mobilen und stationären Anwendungen

Laufzeit: Dezember 2013 - November 2015
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB)
Projektfokus:
© Fraunhofer ISE

Gealterte Kathode einer Lithium-Ionen-Zelle.

Vor dem Hintergrund der Energie- und Verkehrswende gewinnen Konzepte zur Zweitverwertung von Fahrzeugbatterien für Elektrofahrzeuge zunehmend an Bedeutung. Die eingesetzten Batterien besitzen eine hohe Energiedichte, d.h. eine große Energiemenge bei geringer Masse. Lithium-Ionen-Batterien stellen aktuell den Stand der Technik dar, sind aber noch immer vergleichsweise teuer. Diese Batterien altern im Laufe ihres Einsatzes, sodass sie weniger Energie speichern können. Gleichzeitig verringert sich die Leistung, die sie zur Verfügung stellen können. Das Projekt »StaTrak« hatte zum Ziel, gealterte und für mobile Anwendungen ausgemusterte Energiespeicher mit einer nunmehr geringeren Energiedichte zu untersuchen und die Eignung für andere Anwendungen zu prüfen.

 

Vorgehensweise

Um das Projektziel zu erreichen, wurden eigene Alterungsmodelle für Lithium-Ionen-Batterien erstellt. Diese Modelle bilden die Basis für die sich anschließenden Untersuchungen der Geschäftsmodelle und der Ableitung von Anforderungen an das BMS (Battery Management-System).

Batteriealterung

Es wurden Batteriezellen im Labor unter kontrollierten Bedingungen gelagert und zyklisiert sowie Kapazität und Innenwiderstand in regelmäßigen Abständen gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass für die verwendeten Batteriezellen hohe Temperaturen zu stärkerer kalendarischer Alterung führen als mittlere und niedrige Temperaturen. Zyklisierung bei tiefen Temperaturen führt zu sehr starken Kapazitätsverlusten, während mittlere Temperaturen deutlich höhere Lebensdauern ermöglichen. Es zeigen sich außerdem Einflüsse von Strömen und Entladetiefen. Bei hohen Temperaturen verringern sich diese Einflüsse. Aus den Ergebnissen wurden heuristische Methoden entwickelt, die es erlauben, die voraussichtliche Batterierestlebensdauer zu bestimmen.

Batterierestwert

Es wurde die degressive Abschreibung als Vorlage für die Bestimmung des Batterierestwertes genutzt. Dazu wird die vorher bestimmte Restlebensdauer in das Modell der degressiven Abschreibung eingesetzt und ein Restwert ermittelt.

Geschäftsmodell

Es wurde das Geschäftsmodell »Batteriewechselstation« kalkuliert. Dabei würde der Batteriewechsel die Aufladung ersetzen und deutlich größere Reichweiten von Elektrofahrzeugen ermöglichen. Die aufzubauende Infrastruktur macht bei den relativ großen Nutzerzahlen nur marginale Kostenanteile aus, während die Punkte Batteriekosten mit ca. 40% und Energiekosten mit ca. 50% einen Großteil der Gesamtkosten ausmachen.

Anforderungen an BMS (Battery Management System)

Da Batteriezellen bereits mit der ersten Nutzung altern, sollte keine Differenzierung zwischen BMS für Neu- oder Zweitsysteme gemacht werden. Wichtige Komponenten sind neben dem Sicherheitsmanagement, eine Zustandsbestimmung, um daraus erweiterte Services ableiten zu können, sowie thermisches Management und Datenspeicherung.