Batterie- und Brennstoffzellentechnik
Batterie- und Brennstoffzellentechnik
Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserem heutigen Alltag nicht mehr wegzudenken. Künftig werden Elektrolyseure und Brennstoffzellen für grünen Wasserstoff eine wichtige Rolle spielen. In der Forschungsgruppe Elektrische Energiespeicherung (EES) verbessern wir die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit von Batterien und Brennstoffzellen. Dazu setzen wir vielfältige digitale Methoden der Modellierung, Simulation und Künstlichen Intelligenz ein. Außerdem führen wir Experimente in unserem vollausgestatteten Batterielabor durch.
In der Forschung fokussieren wir auf folgende Themen:
- Alterungsmechanismen und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien (z. B. SEI-Bildung, Plating, Betriebsgrenzen von Schnellladung)
- Neue Algorithmen für die Zustandsdiagnose von Batterien (State of Charge, SOC, und State of Health, SOH)
- Diagnose von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen
- Integration von Batterien in Energiesysteme (z. B. Kopplung mit Photovoltaikmodulen)
Wir verwenden dafür die folgende Ausstattung:
- Simulativ: Hauseigener Multiphysics-Code DENIS, Matlab mit hauseigenem Code LIBquiv für Ersatzschaltkreismodellierung, Simulink, Comsol Multiphyiscs
- Experimentell: Batteriezyklierer (Basytec, Biologic, Kanäle bis zu 200 A), fünf Temperaturprüfschränke, Glovebox, Schleif- und Poliermaschine, Zugang zu Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie chemischer Analytik. Unser Batterielabor wird auf der Laborseite detailliert beschrieben.
Die Forschungsgruppe EES wird von Prof. Dr. Wolfgang Bessler geleitet und ist am Institut für nachhaltige Energiesysteme (INES) angesiedelt. Unsere Forschungsaktivitäten finden im Rahmen von öffentlich geförderten Projekten, Industriekooperationen sowie Doktorarbeiten und studentischen Arbeiten statt. Eine Kurzdarstellung unserer Aktivitäten kann unter folgendem Link heruntergeladen werden: Wolfgang G. Bessler, "Elektrische Energiespeicherung mit Batterien und Brennstoffzellen", Forschung im Fokus, Hochschule Offenburg (2022).
Projekte Forschungsgruppe EES
• Integrative Forschung Energie für die Elektromobilität – iFEMo (Land Baden-Württemberg und Europäische Union, 09/2021 bis 03/2023). Mit dieser umfangreichen Ausstattungsmaßnahme wurde ein neues Forschungslabor für eine gesamtheitliche energetische Forschung rund um die Elektromobilität aufgebaut.
• Bestimmung der Betriebsgrenzen bei Schnellladung von Lithium-Ionen-Batterien – Schnellladung (Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz über die Forschungsvereinigung Antriebstechnik, 02/2020 bis 12/2022). In dem Projekt wurden neue modellbasierte Verfahren zur kostengünstigen und verlässlichen Bestimmung von Betriebsgrenzen bei der Schnellladung für neue Batteriezellen entwickelt und validiert.
• Ein Batterie-Kleinspeicher für Balkon-Solaranlagen: Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Mikro-PV-Anlagen – Mikro-PV (Innovationsfonds für Klima- und Wasserschutz der badenova AG & Co. KG, 07/2020 bis 06/2022). In diesem Projekt wurde erforscht, wie die Eigennutzungsquote des in Mikro-PV-Anlagen erzeugten Stroms durch Batteriespeicher erhöht werden kann. Dabei wurden verschiedene Kopplungskonzepte für die Batterie entwickelt.
• Elektrochemische Druckimpedanzspektroskopie für die Charakterisierung von Transportvorgängen in elektrochemischen Zellen – EPISTEL (DFG, März 2018 – August 2021). In diesem Projekt entwickelten wir neue dynamische Methoden für die Diagnostik von PEM-Brennstoffzellen.
• Modellbasierte Gesundheitsdiagnostik von Lithium-Ionen-Batterien – LIBlife (Land Baden-Württemberg/EU, Dezember 2018 – Juni 2021). In diesem Projekt verwendeten wir unser Know-how in der Alterungsmodellierung von Lithium-Ionen-Batterien, um eine praktisch anwendbare Diagnostik des Alterungszustandes (State of Health) zu entwickeln. Die entwickelten Algorithmen kommen in Batteriesystemen von industriellen Kooperationspartnern zum Einsatz.
• Modellierung von gedruckten Batterien. Promotionsprojekt im kooperativen Promotionskolleg „Modellierung, Entwurf, Realisierung und Automatisierung von gedruckter Elektronik und ihren Materialien – MERAGEM“ (Land Baden-Württemberg, September 2016 – Dezember 2020).
• Diagnostisches Batterie- und Photovoltaiklabor für Energiefragestellungen der Industrie 4.0 – Enerlab 4.0 (BMBF, Februar 2018 – Juni 2020). Diese umfangreiche Investitionsmaßnahme beinhaltete Geräte und Anlagen für Batterie- und Photovoltaikuntersuchungen.
• Vorhersage und Verlängerung der Lebensdauer von gekoppelten stationären und mobilen Lithium-Ionen-Batterien – STABIL (BMBF, Januar 2016 – Dezember 2019). Wir untersuchten die Alterungsmechanismen und Lebensdauern von Lithium-Ionen-Batterien sowohl auf Einzelzellebene als auch auf Batteriepackebene.
• Lithiumbatterien mit Luftelektrode – LiBaLu (BMBF, Januar 2016 – Dezember 2019). In diesem Projekt entwickelten wir Modelle von Lithium-Luft-Batterien und verwenden diese zur Designoptimierung einer Demonstratorzelle.
• Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien für die dezentrale Speicherung regenerativer Energien: Experimentelle Bewertung und modellbasierte Optimierung. Promotionsprojekt im Rahmen des kooperativen Promotionskollegs „Dezentrale Erneuerbare Energiesysteme – DENE“ (Land Baden-Württemberg, November 2014 – Oktober 2017). Wir entwickelten und validierten Modelle von PV-gekoppelten Lithium-Ionen-Batterien, mit besonderem Fokus auf der Lebensdauer der Batteriezellen.
• Stabilisierende Netzanbindung eines lokalen Smart Grids – Smart Link (Elektrizitätswerke Mittelbaden, September 2014 – Februar 2017). Mithilfe von Energiesystemmodellen eines Smart Microgrids mit Batteriespeicher entwickelten wir netzdienliche Betriebsführungsstrategien.
• Optimierung von Ladeverfahren einer Lithium-Ionen-Batterie unter besonderer Berücksichtigung des Temperaturverhaltens – TempOLadung (BMBF, November 2013 – November 2016). Gemeinsam mit dem Industriepartner Leclanché entwickelten wir optimierte Ladeverfahren für eine Lithium-Ionen-Batterie unter besonderer Berücksichtigung des Temperaturverhaltens. Dafür wurde eine kombinierte Methodik von skalenübergreifender Modellierung, computergestützter Optimierung und Experiment angewendet.
• Mechanismus und Design der Abscheidung von Lithiumoxiden in Lithium-Luft-Batterien – LiO2Mech (BMBF, Januar 2015 – Juni 2016). Dieses Projekt förderte die wissenschaftlich-technologische Zusammenarbeit mit den USA. Konkret wurden gemeinsam mit Prof. Robert J. Kee (Colorado School of Mines) Modelle und Simulationstechniken für Lithium-Luft-Batterien entwickelt.
• Verbesserung von PEMFC-Leistung und -Langlebigkeit durch skalenübergreifende Modellierung und numerische Simulation – PUMA MIND (EU, Dezember 2012 – Dezember 2015, www.pumamind.eu). Wir untersuchten Alterungsmechanismen von PEM-Brennstoffzellen für mobile Anwendungen. CFD-Simulationen auf Zell- und Stackebene wurden mit mikroskopischen Degradationsmechanismen über die Skalen hinweg gekoppelt.
• Thermisches Durchgehen von Lithiumbatterien (VolkswagenStiftung, September 2011 – Dezember 2015). Wir entwickelten deterministische Modelle des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Batterien. Wärmeerzeugung aufgrund chemischer Nebenreaktionen (z. B. Zersetzung der Solid Electrolyte Interface Schicht) wurde mit Wärmetransport und -Dissipation gekoppelt.
• "Kommunaler Energieverbund Freiburg" – Demonstrationsbetrieb einer Elektrolyseanlage im Industriegebiet Freiburg-Nord zur Verbindung des Strom- und Erdgasnetzes und zur Speicherung erneuerbarer Energien (Land Baden-Württemberg, Dezember 2013 – Juni 2015). Im Teilprojekt Modellierung entwickelten wir mit Prof. Anke Weidlich Energiesystemmodelle zur optimierten Betriebsführung eines regenerativen Microgrids mit PV, Elektrolyseur, Brennstoffzelle und Batteriespeicher.
• Strom aus Luft und Li – Effiziente bifunktionelle Sauerstoffkatalysatoren – LuLi (BMBF, Juni 2011 – November 2014). Wir modellierten elektrochemische Reaktionen und Transportvorgänge von hochenergetischen Lithium-Luft-Batterien. Das Elektrodenverhalten (Wirkungsgrad, Kapazität) wurde durch komplexe ortsabhängige Ausfallreaktionen von festen Produkten (Li2O2, LiOH) bestimmt.
• Skalenübergreifende Modellierung und In situ-Diagnostik der Festoxid-Brennstoffzelle (Helmholtz-Gemeinschaft, Januar 2010 – Januar 2015, Zusammenarbeit mit DLR Stuttgart). Wir führten kombinierte theoretische und experimentelle Untersuchungen von Leistung und Lebensdauer von Festoxid-Brennstoffzellen (solid oxide fuel cell, SOFC) durch, mit dem Schwerpunkt der Entwicklung von Lebensdauermodellen.
Publikationen
- Scopus Publikations- und Zitationsstatistik Prof. Bessler: https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57215636217
- ORCID Publikationsdatenbank Prof. Bessler: ORCID-ID: 0000-0001-8037-9046
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In der Forschungsgruppe Elektrische Energiespeicherung verwenden wir unter anderem die Open-Source-Software Cantera. Hier stellen wir Cantera-Eingabedateien für von uns veröffentlichte Modelle zur Verfügung.
- Schmider_2023_Batteries.yaml: Cantera-Eingabedatei für eine NCA-LCO/Graphit-Lithium-Ionen-Batteriezelle. Siehe D. Schmider und W. G. Bessler, "Thermo-Electro-Mechanical Modeling and Experimental Validation of Thickness Change of a Lithium-Ion Pouch Cell with Blend Positive Electrode", Batteries 9(7), 354 (2023), DOI: 10.3390/batteries9070354
- Carelli_2020_JElectrochemSoc.cti: Cantera-Eingabedatei für eine NCA-LCO/Graphit-Lithium-Ionen-Batteriezelle. Siehe S. Carelli und W. G. Bessler, "Prediction of reversible lithium plating with a pseudo-3D lithium-ion battery model", J. Electrochem. Soc. 167, 100515 (2020), DOI: 10.1149/1945-7111/ab95c8
- Carelli_2019_JElectrochemSoc.cti: Cantera-Eingabedatei für eine NCA-LCO/Graphit-Lithium-Ionen-Batterie. Siehe S. Carelli, M. Quarti, M. C. Yagci, W. G. Bessler, "Modeling and Experimental Validation of a High-Power Lithium-Ion Pouch Cell with LCO/NCA Blend Cathode" J. Electrochem. Soc. 166, A2990-A3003 (2019), DOI: 10.1149/2.0301913jes
- Mayur_2019_ElectrochimActa.cti: Cantera-Eingabedatei für eine LCO/Graphit-Lithium-Ionen-Batteriezelle. Siehe M. Mayur, S. DeCaluwe, B. L. Kee, W. G. Bessler, "Modeling thermodynamics and kinetics of intercalation phases for lithium-ion batteries in Cantera", Electrochim. Acta 323, 134797 (2019), DOI: 10.1016/j.electacta.2019.134797
- Kupper_2017_JElectrochemSoc.cti: Cantera-Eingabedatei für eine LFP/Graphit-Lithium-Ionen-Batteriezelle. Siehe C. Kupper und W. G. Bessler, "Multi-Scale Thermo-Electrochemical Modeling of Performance and Aging of a LiFePO4/Graphite Lithium-Ion Cell", J. Electrochem. Soc. 164, A304-A320 (2017), DOI: 10.1149/2.0761702jes
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