Center for Ageing, Reliability and Lifetime Prediction of Electrochemical and Power Electronic Systems

 

An der RWTH entsteht bis 2020 ein Zentrum zur grundlegenden Erforschung der Alterung von Batteriematerialien und leistungselektronischen Systemen. Der Wissenschaftsrat hat für das „Center for Ageing, Reliability and Lifetime Prediction of Electrochemical and Power Electronic Systems“, kurz CARL, knapp 60 Millionen Euro Fördergelder vom Bund und dem Land NRW bewilligt.

Es handelt sich um eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung, an der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter von zehn Kernprofessuren und rund 20 weiteren Lehrstühlen und Instituten der RWTH und des Forschungszentrums Jülich wegweisende Forschung betreiben können. Darunter befinden sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Disziplinen Chemie, Physik, Mathematik, Informatik oder Materialwissenschaft, Maschinenbau und Elektrotechnik.

„Batteriealterung und Lebensdauervorhersage der Leistungselektronik sind Themen, die in Aachen am Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe, ISEA, schon seit den 1980er Jahren untersucht werden“, sagt ISEA-Leiter Professor Rik De Doncker. „Mit CARL wird es jedoch zum ersten Mal in Deutschland einen ganzheitlichen Betrachtungsansatz geben.“ Die komplette Prozesskette von der Herstellung bis zur Anwendung steht dabei ebenso im Fokus wie der Lebenszyklus sämtlicher Materialien und Komponenten. „Wir wollen bis zur Atom- und Kristallebene verstehen, wie Energiespeicher funktionieren und auf unterschiedliche Anforderungen reagieren“, erklärt Professor Dirk Uwe Sauer vom ISEA die grundlegende Idee von CARL. „Ganz ähnlich sind zum Beispiel die Fragen der Verbindungen für Leistungshalbleiter wie sie etwa in Elektrofahrzeugen oder Windkraftanlagen eingesetzt werden. Erst wenn wir die physikalisch-chemischen Prozesse kennen, können wir Systeme produzieren, die ohne Überkapazitäten oder Redundanzen arbeiten.“ Sauer ist Sprecher des Projekts und hat es maßgeblich auf Basis seiner langjährigen Erfahrungen, die schon auf seine Promotionszeit und diverse Projekte in den letzten 13 Jahren am ISEA zurückgehen, entwickelt.

Im CARL werden zwei Perspektiven betrachtet: die der Endanwender einerseits und die der Entwickler von Maschinen und Materialien zur Herstellung von Batterien und Leistungselektronik andererseits. „Mit unseren Forschungsergebnissen können wir dazu beitragen, dass Entwicklungszyklen beschleunigt werden und durch eine optimale Konfiguration der Systeme letztlich Geld gespart wird“, sagt Sauer. Denn die Frage der Lebensdauer ist essentiell für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Beispielsweise ist es wichtig für Autohersteller, Abschreibungszeiträume, Garantieleistungen und Zuverlässigkeit als Teil der funktionalen Sicherheit einschätzen zu können.

Drei Laborbereiche bilden das Herzstück des Projekts

Mit den Fördermitteln werden drei große Laborbereiche errichtet, die das eigentliche Herzstück von CARL bilden. Im ersten wird es Prüfstände für Belastungs- und Umweltsimulationen geben. Es geht beispielsweise um elektrische, mechanische, chemische oder klimatische Einflüsse auf Material und Systeme von Batterien und Leistungselektronik. Hier werden Alterungsprozesse quasi im Zeitraffer ablaufen und analysiert, um deren Ursachen im Detail erforschen zu können.

Der zweite Labor-Bereich befasst sich mit dem Bau von Prototypen. Die Leistungsfähigkeit ganzer Systeme oder auch einzelner Bauteile soll hier untersucht werden, um beispielsweise Material- oder Konstruktionsfehler frühzeitig ausschließen zu können.

Der dritte Laborbereich widmet sich schließlich der physikalisch-elektrochemischen Analyse. Mit Hilfe einer Analysekette für Struktur- und Materialuntersuchungen, zu der unter anderem ein hochmoderner Computer-Tomograph mit bisher nicht erreichter Auflösung zählen wird, können die Strukturen des Materials bis zur atomaren Auflösung untersucht und analysiert werden.

Mit dem Bau von CARL wird 2017 auf dem Campus Melaten im Westen von Aachen begonnen. Die Baukosten für das Gebäude betragen rund 43 Millionen Euro. Für die Großgeräte und die Grundausstattung sind rund 16 Millionen Euro veranschlagt. Der Einzug der rund 150 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter ist für Mitte 2020 geplant.