© Christina Anders, Uni Kiel. Die grüne Leiterplatte enthält die von den Forschenden entwickelte Elektronik zur Übertragung von Sensordaten über die vorhandenen Stromanschlüsse einer Batteriezelle. Im Hintergrund ist die Batteriezelle zu sehen.
Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben ein neuartiges Kommunikationssystem für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Die Technologie soll Batteriezellen in die Lage versetzen, ihren Zustand selbst zu übermitteln und frühzeitig auf kritische Veränderungen wie steigende Temperaturen oder Gasbildung hinzuweisen. Das könnte die Sicherheit von Batteriespeichern und Elektrofahrzeugen erhöhen und zugleich den technischen Aufwand für das Batteriemanagement reduzieren.
Lithium-Ionen-Batterien sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie treiben Elektroautos an, speichern Solarstrom im Eigenheim und versorgen mobile Endgeräte mit Energie. Gleichzeitig wächst mit ihrer Verbreitung die Bedeutung zuverlässiger Sicherheitskonzepte. Überhitzung, innere Defekte oder chemische Veränderungen können im schlimmsten Fall zu einem thermischen Durchgehen führen. Deshalb arbeiten Wissenschaftler weltweit an neuen Methoden, Batterien intelligenter und sicherer zu machen.
Das Team aus Kiel verfolgt einen innovativen Ansatz. Statt zusätzliche Datenleitungen oder Funkmodule einzubauen, werden die bereits vorhandenen Stromleitungen genutzt, um Sensordaten zu übertragen. Sensoren innerhalb der Zelle erfassen Temperaturwerte und können künftig weitere Messgrößen liefern. Die Informationen werden in elektrische Signale umgewandelt und direkt an das Batteriemanagementsystem übermittelt. Dadurch entfällt zusätzliche Verkabelung, was Platz spart und die Konstruktion vereinfacht.
Dieses Prinzip macht die Batteriezelle im übertragenen Sinn gesprächig. Sie kann ihren Zustand selbst mitteilen und wichtige Informationen kontinuierlich weitergeben. Gerade bei komplexen Batteriesystemen mit vielen Zellen kann dies die Überwachung erheblich verbessern.
Die Nutzung bestehender Leitungen bringt mehrere Vorteile. Hersteller müssen keine zusätzlichen Kabel verlegen und können dennoch wichtige Zustandsdaten aus jeder einzelnen Zelle erhalten. Das reduziert Materialeinsatz, Gewicht und potenzielle Fehlerquellen. Gleichzeitig vereinfacht sich die Integration in bestehende Batteriesysteme.
Das Kommunikationsprinzip lässt sich grundsätzlich auch auf andere Sensortypen erweitern. Neben Temperaturmessungen könnten künftig Drucksensoren oder Sensoren zur Erkennung chemischer Veränderungen integriert werden.
Ein besonderer Vorteil besteht in der frühzeitigen Erkennung kritischer Entwicklungen. Steigende Temperaturen gehören zu den wichtigsten Warnzeichen für Schäden innerhalb einer Lithium-Ionen-Batterie. Auch die Bildung von Gasen kann auf beginnende Alterungsprozesse oder innere Defekte hinweisen.
Erkennt das System solche Veränderungen frühzeitig, kann das Batteriemanagement Gegenmaßnahmen einleiten. Denkbar sind eine Leistungsreduzierung, das Abschalten einzelner Zellmodule oder eine gezielte Kühlung. Dadurch sinkt das Risiko schwerwiegender Schäden.
Bereits heute überwachen Batteriemanagementsysteme Spannung, Strom und Temperatur. Durch die direkte Kommunikation jeder einzelnen Zelle könnten diese Systeme künftig wesentlich detailliertere Informationen erhalten. Das verbessert nicht nur die Sicherheit, sondern kann auch die Lebensdauer der Batterien verlängern.
Eine präzisere Überwachung ermöglicht es außerdem, Wartungen besser zu planen und Batterien effizienter zu betreiben. Langfristig könnten dadurch auch die Betriebskosten sinken.
Von der Entwicklung könnten zahlreiche Branchen profitieren. Elektrofahrzeuge benötigen leistungsfähige und sichere Batteriesysteme, ebenso stationäre Stromspeicher für Photovoltaik- und Windkraftanlagen. Je größer ein Batteriesystem ist, desto wichtiger wird eine zuverlässige Überwachung jeder einzelnen Zelle.
Auch Hersteller von Heimspeichern könnten die Technologie künftig einsetzen, um die Betriebssicherheit weiter zu erhöhen. Angesichts des wachsenden Marktes für Energiespeicher besitzt der Forschungsansatz daher großes Potenzial.
Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Communications Engineering veröffentlicht und zeigen, wie sich vorhandene Stromleitungen einer Batteriezelle gleichzeitig zur Energieversorgung und zur Übertragung von Sensordaten nutzen lassen. Nach Ansicht des Forschungsteams eröffnet dieses Kommunikationsprinzip neue Möglichkeiten für die kontinuierliche Zustandsüberwachung von Lithium-Ionen-Batterien. Langfristig könnte die Technologie dazu beitragen, Batteriesysteme sicherer, effizienter und kostengünstiger zu machen.
Studienleiter Dr. Hamzeh Beiranvand beschreibt die Bedeutung der Entwicklung so:
„Unsere Arbeit ist ein erster Schritt hin zu intelligenten Batterien, die ihren eigenen Zustand kontinuierlich überwachen und melden. Dadurch könnten Batteriesysteme sowohl sicherer als auch wirtschaftlicher werden.“
Nach Angaben der Forscher handelt es sich um eine Plattformtechnologie, die künftig mit weiteren Sensoren kombiniert werden kann. Perspektivisch könnten Batterien nicht nur Temperatur und Gasbildung, sondern auch Druckveränderungen oder andere chemische Prozesse erfassen und melden. Bis zur Marktreife sind allerdings noch weitere Entwicklungsarbeiten erforderlich.
Mit dem weiteren Ausbau der Elektromobilität und stationärer Energiespeicher wächst der Bedarf an zuverlässigen und sicheren Batteriesystemen. Sollte sich die Kieler Technologie im Praxiseinsatz bewähren, könnte sie einen wichtigen Beitrag zur nächsten Generation intelligenter Batteriespeicher leisten.
Lithium-Ionen-Batterien sind heute die wichtigste Speichertechnologie für Elektrofahrzeuge, stationäre Energiespeicher und zahlreiche mobile Geräte. Sie bieten eine hohe Energiedichte und lange Lebensdauer, reagieren jedoch empfindlich auf Überhitzung, mechanische Beschädigungen oder Produktionsfehler.
Aus diesem Grund arbeiten Forschungseinrichtungen und Unternehmen weltweit an neuen Überwachungs- und Diagnoseverfahren. Moderne Sensorik und intelligente Batteriemanagementsysteme sollen kritische Veränderungen frühzeitig erkennen und so Sicherheit, Lebensdauer und Effizienz der Batteriesysteme verbessern.
Die Entwicklung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel reiht sich in diesen Trend ein. Das Besondere an dem Ansatz ist, dass vorhandene Stromleitungen gleichzeitig für die Übertragung von Sensordaten genutzt werden. Dadurch könnten Hersteller den technischen Aufwand reduzieren und gleichzeitig eine präzisere Zustandsüberwachung ermöglichen. Insbesondere für Elektrofahrzeuge und große Batteriespeicher wäre dies ein wichtiger Fortschritt.
