Wie aus Daten bessere Batterien entstehen

Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, sind das Herzstück einer nachhaltigeren Zukunft, vom Antrieb von Elektrofahrzeugen bis hin zur Ermöglichung eines erneuerbaren Energienetzes. Trotz ihrer zunehmenden Allgegenwärtigkeit sind Batterielebenszyklen und ihre Alterungsprozesse für Wissenschaftler und Ingenieure immer noch eher undurchsichtig. Dank Daten gewinnen Ingenieure neue Einblicke in das Mysterium der Batterie und erfahren, wie sie das Potenzial für eine elektrifizierte Zukunft erschließen können.

Eindringen in eine Batteriezelle

Für Batteriehersteller und Wissenschaftler ist das Sammeln von Batteriedaten leider unglaublich schwierig; Es ist teuer, hochtechnisch und ein oft undurchsichtiges Feld. Prof. Michael Pecht, der Gründer der Zentrum für Advanced Life Cycle Engineering an der University of Maryland, versucht, dieses Problem durch seine Forschung anzugehen.

„Der Fokus der Arbeit meines Teams liegt auf dem Verbraucherschutz. Unser Team denkt wirklich an die Menschen“, sagte er. Pecht und sein Team wenden fortschrittliche datenwissenschaftliche Techniken an, um Batterien zu untersuchen, und veröffentlichen eine Vielzahl von Forschung und öffentlich zugänglich Daten mit Fokus auf Sicherheit und Zuverlässigkeit. Das Messen des Innenlebens von Batterien kann jedoch ein technischer und finanzieller Kampf sein.

„Normalerweise versuchen wir, die Sensordaten mit dem Zustand der Batterie in Verbindung zu bringen“, erklärt er. „Wir können den Strom, die Temperatur und die Nutzungsbedingungen wie Lade- und Entladezyklen messen, aber das reicht nicht wirklich aus. Diese Dinger sind umhüllt und mit elektrischen Systemen verbunden, sodass man nicht wirklich hineinkommen kann. Jetzt könnten wir Röntgenstrahlen oder eingebettete Systeme verwenden, aber diese Dinge sind zeitaufwändig und kostspielig und können heute nicht in ein Produkt integriert werden.“

Diese Herausforderungen gelten für die Lithium-Ionen-Batterien, die in allen Arten von Elektronik zu finden sind, aber Elektrofahrzeuge (EV) stellen eine einzigartige Herausforderung im Maßstab dar. „Das Batteriepaket eines Elektrofahrzeugs kann zweitausend Batteriezellen haben, [battery manufacturers] kann es sich nicht leisten, Temperatursensoren an jeder Zelle anzubringen. Nur eine Zelle muss kaputt gehen, sich zu stark aufheizen und das kann Probleme machen“, sagt Pecht.

Visualisierung der Batteriedatenerfassung und -analyse.

Wo sind die Batteriedaten?

Aufgrund der Herausforderungen, auf die Pecht und seine Kollegen stoßen, gibt es einen Mangel an Daten über Batterien.

Forscher der University of Edinburgh aggregierte öffentlich verfügbare Daten und stellte fest, dass es einen dringenden Bedarf an mehr Datensätzen gibt, um die Forschung und Entwicklung dieser zukunftsweisenden Technologie fortzusetzen. Die Forscher stellten ebenso wie Pecht fest, dass die Durchführung von Forschungsarbeiten aufgrund der immensen Anzahl zu testender Variablen wie Betriebstemperatur, Ladeintervalle, Anwendungsfälle und mehr ein teurer und zeitaufwändiger Prozess ist. Beispielsweise würde ein Teil der Röntgentechnologie, die benötigt wird, um einen Blick in das Innere von Lithium-Ionen-Batterien zu werfen, laut der University of Washington eine Investition von 1 Milliarde US-Dollar erfordern.

Trotz großer Behörden des öffentlichen Sektors, wie der NASA, ihre Datensätze öffentlich veröffentlichen, gibt es immer noch nicht genug Informationen für eine breitere Innovation und Entwicklung in einer Branche, in der jeder Datenpunkt wertvoll ist. Da ein Großteil der Forschung auf diesem Gebiet durch das Gesetz über geistiges Eigentum geschützt ist, sind die meisten Daten wird nicht in der gesamten Branche geteilt. Die wenigen Informationen, die öffentlich veröffentlicht werden, fehlen im Detail, was zu Unterstützung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft für das führt, was als bekannt ist Batteriegenomprojekt. Forscher aus das Argonne National Laboratory argumentieren, dass „das Haupthindernis für eine Renaissance der Batteriedatenwissenschaft die Notwendigkeit großer Mengen qualitativ hochwertiger Daten ist, die im derzeitigen fragmentierten Ökosystem nicht verfügbar sind“.

Mit anderen Worten: Ohne mehr Daten werden Innovationen langsamer und schwerer zu katalysieren sein.

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Rejoules Suche nach Batteriedaten

Die Wissenschaft ist nicht die einzige Gruppe, die an dieser Herausforderung interessiert ist. BetreffJule gehört zu einer Fülle von Startups im Bereich Klimatechnologie, die sich auf die innovative Batteriediagnose konzentrieren, um Gesundheitsdaten zu extrahieren und Elektrofahrzeuge und Batteriespeichersysteme während ihrer Lebensdauer effizienter zu verwalten.

„Mit ReJoule haben wir uns zu Beginn darauf konzentriert, die Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen“, sagte Zora Chung, Chief Financial Officer des Unternehmens. „Die ganze Idee war, Batterien zirkulär zu machen, ihr erstes Leben so lange wie möglich zu halten, dann aber auch neue Verwendungen dafür zu finden und sie dann so verantwortungsvoll wie möglich zu entsorgen.“ Mit proprietärer Technologie nutzt das Unternehmen Daten, um Geräte zu entwickeln, die den Batteriezustand überwachen. Sie helfen ihren Kunden, Batterien für Second-Life-Anwendungen zu qualifizieren.

Die ganze Idee war, Batterien zirkulär zu machen, ihr erstes Leben so lange wie möglich zu machen, dann aber auch neue Verwendungen dafür zu finden und sie dann so verantwortungsvoll wie möglich zu entsorgen.

„Unsere Technologie basiert auf einem Verfahren namens elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS). Im Wesentlichen injizieren wir eine Sinuswelle und messen die Reaktion der Batterie. Es wird in Laboren auf der ganzen Welt verwendet, um Zellen zu messen“, sagte Chung. „In Bezug auf die Daten selbst haben Batterien Sammlungen von Daten wie Spannung, Strom und Temperatur, aber das ist nicht so nützlich, um den Gesamtzustand zu verstehen. Die AC-Impedanz, die wir durch EIS erfassen, lässt uns den Zustand der Batterie wirklich verstehen. Auf diese Weise können wir eine Degradationskurve erstellen – um die Batterie tatsächlich im Laufe der Zeit zu überwachen.“

Diese neuen Daten sind Teil des Geschäftsplans von ReJoule, um Chancen und Langlebigkeit für das Batterieökosystem zu erschließen, von der Unterstützung der Hersteller bei der Identifizierung guter und schlechter Zellen bis hin zur Unterstützung des Gebrauchtwagenmarktes, den Wert eines gebrauchten Elektrofahrzeugs besser zu verstehen.

„Ich sehe ein paar langfristige Rollen unserer Daten und unserer Arbeit. Erstens wird die Kreislaufwirtschaft ermöglicht, indem Second-Life-Anwendungen für diese Batterien gefunden werden“, sagte Chung. „Zweitens sehen wir eine Chance, bei der Festlegung von Standards eine Rolle zu spielen. Im Moment ist die Batteriewelt sehr stark vom Wilden Westen geprägt“, fuhr sie fort. „Zum Beispiel, weil Verbraucherbatterien so strukturell unterschiedlich sind, können Sie Dekonstruktionsprozesse nicht automatisieren. Die Bereitstellung von Daten wird dazu beitragen, Standards zu setzen und die Zirkularität dieser Batteriesysteme zu verbessern.“

Das Beste aus dem machen, was wir haben

Trotz ihrer Herausforderungen und Unbekannten sind Batterien für die Elektrifizierung und Dekarbonisierung von Volkswirtschaften von entscheidender Bedeutung. Batterien werden zu wichtigen Werkzeugen für eine nachhaltigere Zukunft, vom Antrieb von Autos bis hin zum Ersatz von Generatoren mit Gaszerstäubung in Entwicklungsländern, und ihre Daten sind unverzichtbar.

Durch Daten erhalten Batteriehersteller, Autofirmen und Verbraucher mehr Informationen darüber, wie sie langlebigere Batterien bauen, ihre Lebensdauer verlängern und wo diese Batterien wiederverwendet werden können. Diese Erkenntnisse werden dazu beitragen, Schadstoffe aus der Luft und Batterien aus der Erde fernzuhalten.

Letztendlich geht es beim Streben nach Batteriedaten darum, unsere lineare Wirtschaft in eine kreisförmigere Form zu bringen. Für Menschen, Planeten und Wohlstand.

wikimodell

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