Kostengünstige Batterieüberwachung mit Nanosensoren für Großserien

Sehr preiswerte faseroptische Sensorsysteme lassen sich als Großserie fertigen – das haben Forscher in einer Vorstudie nachgewiesen. Die Sensoren eignen sich unter anderem für die Batterieüberwachung.

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Ansys

Das Vorstudien-Projekt „Miniaturization of a nanosensor system for batteries“ ist eine Kooperation zwischen dem schwedischen Unternehmen Insplorion und der Innovationsberatung RISE Acreoin. Es belegt, dass es möglich ist, sehr preiswerte faseroptische Sensorsysteme zu bauen, die den Anforderungen eines NPS-Batteriesensors entsprechen. NPS steht für Nanoplasmatische Sensorik.

Die Marktstudie hat auch gezeigt, dass das faseroptische System für andere kommerziell interessante Anwendungen, z.B. in der In-vivo-Diagnostik und der Prozessindustrie, geeignet ist. Die Ergebnisse des Projekts werden in die zukünftige Entwicklung einfließen, insbesondere für einen Batteriesensor, aber auch für andere faserbasierte Sensoranwendungen.

Die Studie wurde auf der Basis von Insplorions Kerntechnologie „Nanoplasmonic Sensing“ (kurz NPS) durchgeführt, die ein physikalisches Phänomen, die so genannte lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR), ausnutzt. Ziel der Studie war es, die Möglichkeit zu untersuchen, ob sich solche faseroptische Sensorsysteme auf Basis von NPS für eine profitable Großserienfertigung entwickeln lassen. Die NPS-Technologie wird derzeit zum Beispiel in der Forschung und Entwicklung zur Verbesserung der Leistung von Solarzellen eingesetzt. Die Echtzeit-Sensortechnologie soll zuverlässige und konsistente Messungen der verschiedenen Beschichtungen für die lichtempfindliche Beschichtung ermöglichen.

Aktuell werden Akkus sehr ineffizient genutzt

Das schwedische Unternehmen sieht seine Technologie aber auch als möglichen Beitrag zum Umstieg auf erneuerbare Energiequellen und die Einhaltung der Klimaziele. Hierbei ist die Elektromobilität und damit verbunden die nötigen Akkus ein wichtiger Bestandteil. Effiziente Akkus sind aber nicht nur für Fahrzeuge sondern auch für Energiespeicher essentiell. Hier kommt Insplorions spezielle Sensortechnik ins Spiel. Mit Sensoren, die die Ladung in Batterien auf molekularer Ebene messen, kann durch die Überwachung und Steuerung der Batterien eine erhöhte Energieverfügbarkeit, Leistungsdichte, Laderate und reduzierte Explosionsgefahr erreicht werden. Alles wichtige Faktoren für zukünftige Fahrzeugflotten und Batteriespeicher.

Bisher gab es laut Insplorion keine Technologie zur Messung des Ladezustandes (SoC), des Gesundheitszustandes (SoH) oder der Innentemperatur von handelsüblichen Lithium-Ionen-Akkus. Stattdessen werden Berechnungen auf Basis von Spannung, Strom und Außentemperatur durchgeführt, die nicht sehr zuverlässig sind. Die Messunsicherheit zwingt Hersteller und Anwender zur Verwendung überdimensionierter Akkus. Aufgrund der in Batterieüberwachungssystemen eingebauten Sicherheitsmargen kann die gesamte Batteriekapazität nicht ausgenutzt werden, was zu einer ineffektiven Nutzung der Akkus, einer verkürzten Lebensdauer, einer langsameren Ladung, erhöhten Sicherheitsrisiken, fehlenden Informationen für die Zweit- und Drittnutzung und einer schlechten Nutzung der Ressourcen der Natur führt.

Die Messung des Status in Lithium-Ionen-Zellen mit Hilfe eines NPS-Batteriesensors führt laut Insplorion zu einer Erhöhung der verfügbaren Energie um bis zu 50 %, zu einer Erhöhung der Laderate um bis zu 23 % und zu einer Senkung der Kosten auf Packungsebene um bis zu 38 %.

LSPR und Nanoplasmatische Sensorik

LSPR ist eine kohärente, kollektive räumliche Schwingung der Leitungselektronen in einem metallischen Nanopartikel, die durch nahezu sichtbares Licht direkt angeregt werden kann. Die Resonanzbedingung ( die Wellenlänge/Farbe des Lichts, die die LSPR anregen kann) wird durch eine Kombination der elektronischen Eigenschaften der Nanopartikel, wie ihrer Größe, ihrer Form, der Temperatur und der dielektrischen Umgebung in unmittelbarer Nähe der Nanopartikel definiert.

Nanoplasmatische Sensorik nutzt metallische Nanopartikel, meist Silber oder Gold, als lokale Sensorelemente, die eine Kombination von einzigartigen Eigenschaften bieten, darunter eine sehr hohe Empfindlichkeit, geringe Probenmenge/Volumen (aufgrund der Nanopartikelabmessungen des Sensors, typischerweise im Größenbereich von 50 - 100 nm) und die Fähigkeit zur schnellen Fernauslesung in Echtzeit (Millisekunden-Zeitauflösung).

In Inspirons NPS-Chip-Architektur (Nanoplasmonic Sensing) wird die Messung durch Nano-Arrays aus nicht interagierenden, identischen Gold-Nanodisks auf einem transparenten Substrat realisiert. Dieses Gold-Nanodisk-Array wird dann mit einer dünnen, dielektrischen Spacerschicht bedeckt, auf die ein Probenmaterial (z.B. Nanopartikel) aufgebracht wird. Die Sensornanopartikel sind dabei in die Sensoroberfläche eingebettet und interagieren nicht physikalisch mit dem untersuchten Nanomaterial, außer über das LSPR-Dipolfeld. Insplorion wird nun, nach dem positiven Ergebnis der Studie die Entwicklung in Zusammenarbeit mit RISE Acreo und industriellen Akteuren fortsetzen.

„Die wichtigsten Schlüsse aus dem Projekt sind, dass wir Volumenkomponenten verwenden können, die einen wettbewerbsfähigen Herstellungspreis ermöglichen. Außerdem konnten wir zeigen, wie sich in der Fertigung größeren Stückzahlen skalieren lassen. Wir können kostengünstige Sensorsysteme für eine erste Serie von Akkus für Nischenanwendungen bauen. Allerdings sind weitere technische Entwicklungen und Verifikationen notwendig, um Sensorsysteme zu entwickeln, die den breiten Markt erreichen können", erklärt Patrik Dahlqvist, CEO Insplorion.

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