Ein Gramm Vorbeugung ist ein Pfund Heilung wert – Wie EIS zur Verbesserung des Batteriezustands in Elektrofahrzeugen eingesetzt wird

Elektrofahrzeuge (EVs) haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit gewonnen, angetrieben durch den globalen Wandel hin zu sauberer Energie und nachhaltigem Verkehr.

Da sie keinerlei Abgase aus dem Auspuff erzeugen, sind EVs deutlich umweltfreundlicher als ihre Benzin‑ und Diesel‑Gegenstücke. Das macht EVs zu einer Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung des Straßenverkehrs, der für etwa ein Sechstel der globalen Emissionen verantwortlich ist.

Sie haben zudem geringere Betriebs‑ und Wartungskosten als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, wodurch sie wesentlich effizienter und erschwinglicher sind.

Infolgedessen steigt die Beliebtheit und Verbreitung von EVs stark, wobei im Jahr 2023 fast jedes fünfte verkaufte Auto elektrisch war. Nachdem die Schwelle von 10 Millionen im Jahr 2020 überschritten wurde, erreichte die Zahl der Elektroautos auf den Straßen im vergangenen Jahr 40 Millionen.

Allein im Jahr 2023 beliefen sich die Verkäufe von Elektroautos auf fast 14 Millionen, davon 95 % in China, Europa und den USA. Durch dieses Wachstum machen EVs nun etwa 20 % aller weltweit neu verkauften Autos aus, und bis 2030 wird ein Anstieg auf rund 50 % erwartet.

Es gibt jedoch nicht nur einen EV‑Typ, sondern mehrere Varianten:

• Batterieelektrische Fahrzeuge (BEV)
• Plug‑In‑Hybrid‑Elektrofahrzeuge (PHEV)
• Hybrid‑Elektrofahrzeuge (HEV)
• Brennstoffzellen‑Elektrofahrzeuge (FCEV)

Unter diesen sind batteriegetriebene EVs am häufigsten und machten 2023 70 % des Elektroauto‑Bestands aus.

BEVs werden vollständig von Strom angetrieben und können von externen Quellen aufgeladen werden. Sie sind effizienter als Hybrid‑ und Plug‑In‑Hybrid‑Fahrzeuge.

Da Batterien die Energiequelle von EVs sind, stellen sie das wichtigste Bauteil eines Elektrofahrzeugs dar. Durch den Ersatz von Verbrennungsmotoren können batterieelektrische Fahrzeuge die Verschmutzung erheblich reduzieren, die Integration erneuerbarer Quellen wie Wind und Sonne unterstützen und Nachhaltigkeit gewährleisten.

Bei EVs bestimmt der Zustand der Batterien deren Leistung. Und ihre Größe, gemessen in Kilowattstunden, gibt an, wie viel Strom die Batterie speichern kann und wie weit das Elektroauto mit einer einzigen Ladung fahren kann.

Je höher die Energiedichte der Batterie, desto größer die Reichweite pro Ladung. Zudem ist Schnellladen entscheidend, damit EV‑Besitzer ihre Fahrzeuge rasch wieder aufladen können.

Heute verwenden EVs verschiedene Batterietypen, darunter Lithium‑Ion, das am häufigsten ist. Blei‑Säure‑Batterien sind besonders in den USA wegen ihrer Kosteneffizienz und langen Lebensdauer beliebt, während Lithium‑Schwefel die theoretische Ladekapazität erhöht.

Neben dem wachsenden Umweltbewusstsein und staatlichen Anreizen treiben Fortschritte in der Batterietechnologie, insbesondere solche, die EVs effizienter und erschwinglicher gemacht haben, die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen voran.

Daher spielen Batterien eine entscheidende Rolle in EVs und dem breiteren Übergang zu sauberer Energie, was es unerlässlich macht, genau zu wissen, wie gut sie funktionieren und in welchem Zustand sie sich befinden. Zu diesem Zweck haben Forscher eine neue Technologie entwickelt, die den Batteriezustand mit hoher Präzision überwacht, um deren Effizienz und Stabilität langfristig zu maximieren.

Technologie für die präzise Diagnose von EV‑Batterien

Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) entwickelten diese neue Technologie zur genauen Diagnose des Zustands von EV‑Batterien, die für deren effizientes Management und sichere Nutzung unerlässlich ist, wobei nur geringe Strommengen verwendet werden.

Diese Entwicklung wurde letzte Woche von KAIST bekanntgegeben, die feststellte, dass ein Forscherteam unter Leitung der Professoren Sang‑Gug Lee und Kyeongha Kwon von der Fakultät für Elektrotechnik die Technologie der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) entwickelt hat.

Diese EIS‑Technologie kann genutzt werden, um die Leistung und Stabilität von Hochkapazitätsbatterien in Elektrofahrzeugen zu verbessern.

Elektrochemische Impedanzspektroskopie ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das die Impedanzgröße und -änderungen einer Batterie misst und damit die Bewertung von Batteriewirkungsgrad und Verlust ermöglicht.

Die Batteriempedanz ist einfach ein Maß für den Widerstand gegen den Stromfluss innerhalb der Batterie. Diese nicht-invasive Methode zur Verhinderung von Batterieversagen erkennt frühzeitig Anzeichen von Schwäche oder Verschlechterung und prüft deren Leistung und Zustand.

Als wichtiges Werkzeug zur Bewertung des Ladezustands und der Gesundheit der Batterie kann es zudem chemische oder physikalische Veränderungen analysieren, thermische Eigenschaften beschreiben, die Ursachen von Ausfällen identifizieren und die Batterielebensdauer prognostizieren.

Allerdings ist konventionelle EIS‑Ausrüstung nicht nur teuer, sondern auch komplex, was Installation, Betrieb und Wartung erschwert.

Hinzu kommen Einschränkungen bei Präzision und Empfindlichkeit, was bedeutet, dass das Anlegen von Stromstörungen mehrerer Ampere an einer Batterie zu erheblichem elektrischen Stress führen kann. Dies erhöht wiederum das Risiko von Feuer oder Batterieversagen und erschwert die praktische Anwendung.

Um all diese Probleme zu lösen, entwickelte das Ingenieurteam von KAIST ein Niedrigstrom‑EIS‑System, um den Zustand hoch effizienter EV‑Batterien sowie deren Gesundheit zu diagnostizieren.

Dieses neue System kann die Batteriempedanz präzise mit geringen Stromstörungen, d. h. 10 mA, messen. Während des Messvorgangs minimiert die neue EIS‑Technologie thermische Effekte und Sicherheitsprobleme.

Ein weiterer Vorteil dieses Systems besteht darin, dass es den Bedarf an sperrigen und teuren Komponenten reduziert. So lässt es sich leicht in Fahrzeuge integrieren.

Das neue EIS‑System hat bereits seinen Erfolg bei der Bestimmung der elektrochemischen Eigenschaften von EV‑Batterien unter verschiedenen Betriebsbedingungen gezeigt. Dazu gehören unterschiedliche Temperaturen und Ladezustands‑(SOC‑)Stufen.

Die einfache Integration des Systems in das Batteriemanagementsystem (BMS) von EVs, zusammen mit seiner hohen Messgenauigkeit und reduzierten Komplexität und Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Hochstrom‑EIS‑Methoden, macht es für EVs äußerst vorteilhaft.

Laut dem korrespondierenden Autor Professor Kyeongha Kwon kann das System auch zur Batteriediagnose und Leistungsverbesserung von Energiespeichersystemen (ESS) beitragen.

Weitere Entwicklungen im Bereich Batteriezustand und Sicherheit von EVs

Angesichts der Bedeutung von Batterien arbeiten Forscher an verschiedenen Methoden, um deren Zustand besser zu verstehen. Schließlich nimmt die Kapazität von EV‑Batterien bei kontinuierlichem Betrieb nach etwa 6,5 Jahren um etwa 10 % ab. Überladen und Tiefentladen tragen ebenfalls zu diesem Rückgang bei.

Im vergangenen Jahr entwickelte ein Team von Forschern der Michigan Engineering eine Formel, um eine Batterie zu diagnostizieren und zu überwachen, ohne sie zu zerlegen. Die Formel, die auch auf andere photonische und elektronische Geräte anwendbar ist, funktioniert für jede Kombination von Batteriematerialien.

Eine von Forschern zur Untersuchung von Batterien verwendete Methode besteht darin, einen schwachen Wechselstrom, ähnlich dem aus einer Steckdose, jedoch deutlich schwächer, anzulegen, um die Batterie zu prüfen. Dabei ändert sich die Impedanz abhängig von der Frequenz des Wechselstroms bzw. davon, wie schnell er die Richtung wechselt.

Ein wichtiges Maß ist, wie die Impedanz mit der Frequenz variiert, ermittelt durch ein Durchsuchen der Frequenz von niedrig nach hoch. Dafür muss eine Beziehung zwischen den Batteriematerialien und deren Signatur hergestellt werden. Das Team entwickelte jedoch eine eigene Formel zur Beschreibung dieser Beziehung. Sobald die Impedanz bei einigen Frequenzen gemessen ist, kann die Formel die Impedanz als Funktion der Frequenz für einen breiten Frequenzbereich vorhersagen.

Die Formel dient laut Team dazu, die Materialimpedanz anhand weniger experimenteller Datenpunkte darzustellen. Sie vereinfacht den gesamten Prozess der Modellierung des Stromflusses durch Geräte aus verschiedenen Materialien und erfordert nicht im Voraus Kenntnis der Mikrostruktur des Materials.

Sie kann zudem helfen, bessere Festelektrolyte zu entwerfen, die Impedanzmerkmale anderer Batteriekomponenten zu identifizieren und genaue Batteriemodelle zu erstellen, um beim Laden und Entladen sicherere und effizientere Steuerungen zu ermöglichen.

Zu diesem Zeitpunkt erklärte das Team, dass sie die Formel nutzen wollen, um Festelektrolyte mit Mischmaterialien zu verstehen und zu entwerfen, die höhere Kapazität und bessere Sicherheit bieten können.

Fortschritte im strukturellen Batteriedesign, bei Materialien und Überwachungssystemen gehen weiter und haben Sicherheitsmaßnahmen zur Verhinderung interner Kurzschlüsse und thermischer Durchläufe verbessert. Dafür konzentrieren sich Forscher zunehmend auf die Rolle von siliziumbasierten Anoden, insbesondere die Verteilung von SiO‑Partikeln innerhalb der Anodenschicht, um eine höhere Energiedichte zu erreichen und gleichzeitig unerwünschte Effekte während des Zyklus zu kontrollieren, wodurch Sicherheit und Langlebigkeit verbessert werden.

Im Bereich Batteriedesign und -montage gewinnen Klebstoffe ebenfalls an Bedeutung und bieten Vorteile wie verbesserte Leistung durch Optimierung der thermischen Schnittstelle zwischen Batteriezellen und Kühlsystemen, größere Designflexibilität durch das Verkleben verschiedener Materialien, verbessertes Energiemanagement für die Sicherheit und Kosteneinsparungen durch die Straffung von Fertigungsprozessen.

Forscher und Unternehmen nutzen zudem KI für die Entdeckung von Batteriematerialien und die Fertigung. Obwohl die EV‑Batterietechnologie in den letzten Jahren erheblich vorangeschritten ist, bestehen weiterhin Probleme hinsichtlich Material, Design, Reichweite und Batteriemanagementsystemen.

Das Batteriemanagementsystem (BMS) in einem EV sorgt für Effizienz, Sicherheit und Langlebigkeit, indem es die Batterieleistung optimiert. Traditionelle Schätzungen des Batteriezustands und der Ladung zur Vorhersage zukünftiger Degradation waren ungenau, was zu ML‑Algorithmen für BMS führte, die Echtzeitdaten analysieren, um präzise Schätzungen des Batteriezustands (SOH) und des Ladezustands (SOC) zu liefern. Das BMS nutzt diese Schätzungen dann, um die Batterieleistung zu optimieren.

Der globale Markt für die Herstellung und Prüfung von EV‑Batterien wächst schnell und wurde 2023 auf 1,9 Milliarden $ geschätzt. Es wird prognostiziert, dass dieser Markt in den nächsten acht Jahren mit einer CAGR von über 17,6 % auf 7,8 Milliarden $ bis 2032 anwächst.

Dieses Wachstum wird durch die steigende EV‑Akzeptanz und die daraus resultierende Batteriefertigung, technologische Fortschritte in der Batter chemie, Batteriesicherheit und Zuverlässigkeitsanforderungen sowie den zunehmenden Fokus auf Nachhaltigkeit und die Reduzierung von CO₂‑Emissionen angetrieben.

Vor einigen Monaten kündigte das US-Energieministerium (DOE) ebenfalls 43 Millionen $ an Fördermitteln für Projekte an, die Forschung, Entwicklung und Einsatz in kritischen Batteriebereichen vorantreiben. Ziel der Initiative ist es, Innovationen in der kostengünstigen EV‑Batterieherstellung zu fördern, Ausfälle zu reduzieren, die Batteriesicherheit zu verbessern und die heimische Lieferkette für Batteriematerialien zu stärken.

Dies steht im Einklang mit dem US‑Nationalen Fahrplan zur Dekarbonisierung des Verkehrs, der bis 2050 alle Emissionen des Verkehrssektors beseitigen will, indem Batterietechnologien vorangetrieben werden, um sichere und effiziente emissionsfreie EVs zu betreiben.

Unternehmen, die die Weiterentwicklung des EV‑Batteriemanagements unterstützen

Werfen wir nun einen Blick auf Unternehmen, die an der Schnittstelle von EV‑Batteriegesundheitstechnologie, BMS‑Systemen und EIS‑Fortschritten arbeiten, die alle entscheidend für die Stabilität des EV‑Marktes sowie die Optimierung von Batterielebensdauer und Sicherheit sind.

Elon Musks Tesla (TSLA ) gehört zu den prominentesten und investiert stark in Hochkapazitäts‑ und Langzeitbatterien für EVs. Mit einem Anstieg der Tesla‑Aktien um 4,83 % in diesem Jahr beträgt die Marktkapitalisierung derzeit 830,7 Milliarden $.

Dann gibt es die mit 3,24 Milliarden $ bewertete QuantumScape Corporation (QS ), die Festkörper‑Lithium‑Metall‑Batterien für EVs entwickelt, während die mit 1,9 Milliarden $ bewertete Enovix Corporation (ENVX ) fortschrittliche Silizium‑Anoden‑Lithium‑Ion‑Batterien entwickelt. Die mit 11,18 Milliarden $ bewertete Albemarle Corporation (ALB ) ist ein führender Lithiumproduzent und beteiligt sich an der Verbesserung von Batteriewirkungsgrad und Sicherheit. Die Aktien von QS, ALB und ALB sind in diesem Jahr um 6,47 %, 34,14 % bzw. 13,14 % gefallen.

Analog Devices (ADI ) ist ein Unternehmen mit 114 Milliarden $, dessen Aktien im Jahresverlauf um 15,67 % gestiegen sind. Gleichzeitig bietet es Batteriemanagementsystem‑ (BMS‑)Lösungen für EV‑Batterien an.

Betrachten wir nun genauer ein weiteres verwandtes Unternehmen, das in diesem Jahr gute Leistungen erbracht hat.

General Motors Company

Der Automobilriese mit einer Marktkapitalisierung von 59,2 Milliarden $ hat in diesem Jahr einen deutlichen Kursanstieg erlebt. Mit etwas mehr als zwei Monaten bis Ende 2024 ist der GM‑Preis um 46,77 % gestiegen und liegt bei 52,9 $. Er weist ein EPS (TTM) von 9,37 und ein Kurs‑Gewinn‑Verhältnis (P/E) (TTM) von 5,63 sowie eine Dividendenrendite von 0,91 % auf.

General Motors (GM ) ist in die Entwicklung, den Bau und den Verkauf von Autos, Lastwagen und Autoteilen sowie die Bereitstellung softwaregestützter Dienstleistungen involviert. Zudem führt das Unternehmen durch die Ultium‑Plattform Pionierarbeit in Batterietechnologie, Sicherheit und Leistung für seine EV‑Flotte.

Ultium wurde erstmals 2020 vorgestellt, und seine CEO, Mary Barra, nannte es:

“Eine Marken‑ und Segment‑übergreifende EV‑Strategie mit Skaleneffekten, die unser Voll‑Size‑Truck‑Geschäft in puncto Komplexität übertrifft und dabei noch flexibler ist.”

Während eines jüngsten Treffens kündigte Barra an, dass die Ultium‑Batteriemarke nun eingestellt wird, betonte jedoch, dass die EV‑Verkäufe steigen werden. Die EV‑Produktpalette von GM umfasst den Chevy Equinox und Blazer, den GMC Hummer EV, den Cadillac Lyriq und den Cadillac Celestiq.

Kurt Kelty, GM Vice President of the Battery Cell, erkannte jedoch die Bedeutung von Ultium bei der Einführung der breiten Palette brandneuer EV‑Modelle an und bemerkte:

“(Das Unternehmen) wechselt von einer Einheits‑zu‑allen‑Lösung zu neuen, programmspezifischen Batterien.”

GM prüft nun mehrere Batteriekemien, um die Leistungsanforderungen besser zu erfüllen.

Das Unternehmen plant außerdem den Bau eines Batterietypisierungszentrums in Michigan, das 2027 eröffnet werden soll und die Entwicklungszeit für Batterien um bis zu ein Jahr verkürzen kann.

Diese Woche meldete GM seine Finanzzahlen für das dritte Quartal 2024, die zeigten, dass der Umsatz für das Quartal 49 Milliarden $ betrug, ein Anstieg von 10 % gegenüber dem Vorjahr, während der bereinigte freie Cashflow im Automobilbereich 5,8 Milliarden $ erreichte, ein Plus von 900 Millionen $ im Vergleich zum Vorjahr. In diesem Zeitraum tätigte GM Aktienrückkäufe im Wert von 1 Milliarde $.

Das Unternehmen verzeichnete im dritten Quartal ein Wachstum seines Einzelhandelsanteils in den USA, während das operative Umfeld in China weiterhin herausfordernd blieb. Die Garantie‑Kosten stiegen ebenfalls aufgrund inflationsbedingter Belastungen.

Bezüglich EVs ist das Unternehmen auf Kurs, in diesem Jahr 200.000 EVs in Nordamerika zu produzieren. Trotz Fortschritten arbeitet das EV‑Geschäft von GM weiterhin daran, profitabel zu werden, und erwartet eine Verbesserung der EV‑Verluste um 2 bis 4 Milliarden $.

Fazit

Da die Umstellung auf saubere Energie durch staatliche Politiken, Anreize und industrielle Strategien stark beschleunigt wird, hat die Welt den Wechsel zu Elektrofahrzeugen vollzogen. Das rasche Wachstum von EVs unterstreicht die zentrale Rolle von Batterien und erfordert daher hohe Effizienz und Sicherheit. Technologien wie die elektrochemische Impedanzspektroskopie und innovative Batteriemanagementsysteme können dabei helfen, die Überwachung des Batteriezustands von EVs zu verfeinern und zu einer sichereren, nachhaltigeren Nutzung von EVs beizutragen.

Wenn mehr Studien, Unternehmen und Regierungen sich auf die Verbesserung der EV‑Batteriediagnostik konzentrieren, werden wir langlebigere Batterien, sicherere Designs und effiziente Energiespeicherung sehen, die alle entscheidend dafür sind, dass EVs den Durchbruch in den Massenmarkt schaffen. Diese Innovationen können zudem dazu beitragen, ambitionierte globale Klimaziele zu erreichen und eine sauberere, nachhaltigere Zukunft zu ermöglichen.

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