Das Upcycling ausgedienter Traktionsbatterien aus Elektrofahrzeugen gilt als vielversprechender Ansatz, um Materialkreisläufe zu verlangsamen und Ressourcen effizienter zu nutzen. Statt gebrauchter Lithium-Ionen-Zellen direkt in hydrometallurgische oder pyrometallurgische Recyclingprozesse zu überführen, sollen diese in stationären Energiespeichern oder anderen Sekundäranwendungen weiter betrieben werden. Der wirtschaftliche und technische Durchbruch ist jedoch bislang ausgeblieben – vor allem weil eine schnelle, zuverlässige und zerstörungsfreie Charakterisierung des Batteriezustands fehlte.
Genau hier setzt das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt »QuaLiProM« an. Im Rahmen dieses Projekts hat ein interdisziplinäres Team der Fraunhofer-Allianz Batterien eine Hochgeschwindigkeitsmessmethode auf Basis spin-basierter Quanten-Magnetfeldsensoren entwickelt. Die Sensorik nutzt optisch angeregte Spinzustände, um Magnetfeldmappings von Batteriezellen zu erstellen. Aus den so gewonnenen räumlich aufgelösten Magnetfelddaten lassen sich Rückschlüsse auf den internen Zustand der Zelle – einschließlich lokaler Degradationsphänomene – ziehen, ohne die Zelle mechanisch zu öffnen oder chemisch zu analysieren.
Die Kombination dieser Quantensensorik mit KI-gestützten Auswertealgorithmen erlaubt es, Restleistung (State of Health, SoH) und verbleibende Lebensdauer (Remaining Useful Life, RUL) der untersuchten Batterien mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit zu bestimmen. Für die industrielle Praxis ist diese Verknüpfung entscheidend: Klassische elektrochemische Charakterisierungsverfahren wie Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) oder Kapazitätsmessung sind zwar etabliert, aber zu zeitaufwendig und zu wenig automatisierbar für einen wirtschaftlich tragfähigen Second-Life-Sortierprozess im großen Maßstab.
In der Prozesskette des Battery-Second-Life stellt die Eingangsdiagnostik – das sogenannte Grading und Sorting – eine zentrale Herausforderung dar. Batteriesysteme aus dem Fahrzeugeinsatz weisen aufgrund unterschiedlicher Nutzungsprofile, Ladehistorien und thermischer Belastungsgeschichten eine erhebliche Streuung im Alterungszustand auf. Eine unzureichende Zustandsdiagnose birgt Sicherheitsrisiken im Betrieb des Zweitnutzungsspeichers und kann zu Frühausfällen führen, was das Vertrauen in Second-Life-Systeme weiter untergräbt.
Die Ergebnisse des QuaLiProM-Projekts könnten dazu beitragen, diese Lücke zu schließen. Der Einsatz von Diamant-basierten NV-Zentren (Nitrogen-Vacancy-Zentren) als Quantensensoren erlaubt berührungslose Magnetfeldmessungen mit hoher räumlicher Auflösung. Fraunhofer-Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg sind an der Entwicklung dieser Sensortechnologie maßgeblich beteiligt. Die Methode ist prinzipiell skalierbar und könnte perspektivisch in automatisierte Prüflinien für die Weiterverwendung von Batterieblöcken oder -modulen integriert werden.
Für den europäischen Markt ist die Weiterentwicklung tragfähiger Second-Life-Konzepte besonders relevant: Mit steigenden Volumina an Altbatterien aus der Elektromobilität und regulatorischen Vorgaben zur Kreislaufwirtschaft – unter anderem durch die EU-Batterieverordnung – wächst der Druck auf Hersteller und Recycler, Wiederverwendungspfade wirtschaftlich abzubilden. Methoden zur schnellen und sicheren Zustandsdiagnose sind eine Grundvoraussetzung dafür, dass Second-Life-Anwendungen über Pilotprojekte hinaus in die Serienreife gelangen.
Quelle: Fraunhofer-Allianz Batterien – https://www.batterien.fraunhofer.de/de/presse_medien/presse/quantentechnologie-und-ki--schluessel-fuer-sichere-second-life-a.html
