In batterieelektrischen Fahrzeugen und in ersten elektrisch fliegenden Kleinflugzeugen erfolgt die Speicherung von Energie in konventionellen Batterien, die Bauraum benötigen und die die Masse des Fahrzeugs nicht unwesentlich erhöhen. Konzepte mit strukturintegrierten Energiespeichern zeigen dagegen eine Möglichkeit auf, diese Nachteile zu kompensieren. Durch die Kombination von Energiespeicher und lasttragender Struktur zu einem einzigen Bauteil lassen sich Masse und erforderliches Volumen reduzieren. Dies gelingt, indem beispielsweise das separate Gehäuse des Energiespeichers entfällt oder der Energiespeicher selbst mechanische Lasten überträgt und so selbst zur Struktur wird. Im Rahmen des Exzellenzclusters SE2A wird die lasttragende Integration von Batterien in Flugzeugstrukturen genauer untersucht. Eine große Herausforderung stellt jedoch die zyklische Belastung der strukturintegrierten Batterien dar. Es ist noch unklar, welchen Einfluss dynamische Kräfte auf die Lebensdauer und die Eigenschaften der Batterien haben. Erst die Beantwortung dieser zentralen Fragestellung erlaubt es, das reale Potenzial dieses Energiespeicherkonzepts umfänglich zu bewerten.
Was passiert mit Batterien unter zyklischer Belastung?
Um den Einfluss von zyklischen mechanischen Belastungen zu untersuchen, werden zunächst die Batteriekomponenten, wie Anoden und Kathoden, betrachtet. Diese Elektroden bestehen aus einem Kollektor, der mit einem Aktivmaterial beschichtet ist. Bei der Anode ist dies eine dünne, mit Graphit beschichtete Kupferfolie. Für die Untersuchungen werden die Elektroden dynamisch bis zum Versagen auf Zug belastet. Ein kleiner, intakt gebliebener Teil dieser Folie wird anschließend zur Herstellung einer Batterie in Form einer Knopfzelle verwendet. Dadurch ist es möglich, den Effekt der mechanischen Belastung auf die Leistungsfähigkeit der Batterie zu bewerten. Es werden sowohl Referenzknopfzellen, die nur aus unbelastetem Material bestehen, als auch Knopfzellen hergestellt, bei denen entweder die Anode oder die Kathode zyklisch auf Zug belastet wurde. Im Anschluss erfolgt die elektrochemische Charakterisierung der Knopfzellen mithilfe eines Potentiostaten. Hierbei werden die Zellen mehrfach geladen und entladen und die Impedanz gemessen. Auf diese Weise entsteht ein besseres Verständnis dafür, wie sich zyklische, mechanische Belastungen auf die elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden auswirken.
Durch die Aufwicklung der Folie auf Rollen wird eine gleichmäßige Belastung der Probe sichergestellt
Entladekapazität und Impedanzspektrum einer Referenzknopfzelle und einer Knopfzelle mit Anodenmaterial, welches bei 70 % der statischen Zugfestigkeit getestet wurde und nach ca. 167000 Zyklen versagt ist
Erste Erkenntnisse aus den mechanischen und elektrochemischen Untersuchungen
Bei der Durchführung der Versuche hat sich gezeigt, dass die Einspannung der Elektrodenfolie von entscheidender Bedeutung ist bei der Generierung reproduzierbarer Ergebnisse. In mehreren Optimierungsschritten wurde eine Einspannung entwickelt, bei der die Elektrodenfolie an ihren Enden auf metallische Rollen aufgewickelt ist. Dadurch baut sich die Belastung in der Folie gleichmäßig auf, sodass keine kritischen Spannungskonzentrationen entstehen. Anhand der experimentell ermittelten Wöhlerkurve zeigt sich, dass der Bereich zwischen den beiden Vorhersagegrenzen relativ breit ist, was auf eine erhöhte Streuung der Versuche hindeutet. Sämtliche durchgeführten Versuche liegen innerhalb der Vorhersagegrenzen, obwohl diese zum Teil weit von der Regressionsgeraden entfernt sind. Die erhöhte Streuung ist vermutlich auf die kleine Stichprobenanzahl (13 Proben) und Variationen bei der manuellen Probenpräparation zurückzuführen. Erste Versuche mit Referenzknopfzellen und Knopfzellen mit zyklisch mechanisch belasteter Anodenfolie deuten auf einen signifikanten Einfluss der dynamischen Lasten auf die elektrochemischen Eigenschaften der Zellen hin. Dies belegen die deutlichen Unterschiede zwischen den beiden Zellen bezüglich der Entladekapazitäten und der Impedanzspektren. Weiterführende Untersuchungen tragen dazu bei, die zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen und die Erkenntnisse aus den mechanischen Untersuchungen der einzelnen Batteriekomponenten auf eine komplette Batteriezelle zu übertragen. Das übergeordnete Ziel ist die Ableitung von Optimierungsstrategien, mit denen sich die mechanische Robustheit der Zellen als Grundlage für eine erfolgreiche Strukturintegration erhöhen lässt.
