Bessere Funktionsweise von Batterien

Folgendes ist ein häufiges Problem der modernen Welt. Ihr Handy oder Laptop sagt Ihnen, dass der Akku nur noch 10 % der Ladung hat, und schaltet sich dann plötzlich ab, wenn Sie eine intensive Anwendung öffnen. Aber nach ein paar Minuten Wartezeit lässt sich das Gerät auf wundersame Weise wieder einschalten.

Dies ist ein Zeichen dafür, dass das Batteriemanagementsystem Ihres Geräts seine Aufgabe nicht richtig erfüllt. Es kann ein lästiges Ereignis sein. Die Folgen eines ungenauen Batteriemanagements gehen jedoch weit über die alltäglichen Unannehmlichkeiten für Laptop- und Handynutzer hinaus. Es kann auch zu großen Industrieunfällen und Ineffizienzen führen, die die Welt jedes Jahr Milliarden von Dollar kosten.

Noch wichtiger ist, dass die Ungenauigkeit der Batteriemanagementsysteme die Einführung von Netzspeichern und den weltweiten Übergang von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zu Elektrofahrzeugen behindert hat.

Der Wettlauf um die Verbesserung der Batterieleistung hat enorme Auswirkungen auf die Gesundheit des Planeten.

Deshalb war Ajay Raghavan, ein Experte auf dem Gebiet der Sensoren und intelligenten Strukturen, 2012 sehr aufgeregt, als er auf die Idee kam, faseroptische Sensoren in Batterien einzusetzen, um ihre Managementsysteme zu verbessern. Je mehr Ajay über die Idee nachdachte, desto aufgeregter wurde er. Es stellte sich heraus, dass es der erste Schritt auf einem sehr langen und herausfordernden Innovationsweg war.

Dies ist eine Geschichte über den Einfallsreichtum eines Wissenschaftlers und seines Teams. Aber es ist genauso eine Geschichte über den Mut, den Glauben und die Ausdauer, die nötig sind, um aus Momenten des Einfallsreichtums Kapital zu schlagen – und sie in weltumspannende Innovationen zu verwandeln.

Ajay, woher kommt Ihr Interesse für das Ingenieurwesen?

Nun, man könnte sagen, es liegt in der Familie. Mein Vater ist Ingenieur. Er hat praktisch sein ganzes Leben lang bei Air India gearbeitet. Ich habe einige Onkel und andere Verwandte, die ebenfalls Ingenieure sind. Das weckte bereits früh mein Interesse. Dann in der High School hatte ich ein starkes Interesse an Naturwissenschaften und Mathematik im Allgemeinen. Ich war sehr neugierig, wie die Dinge funktionieren – Dinge auseinandernehmen, wieder zusammensetzen. Ich hatte auch Interesse an der kreativen Seite, Dinge zu gestalten und sie so effizient und attraktiv wie möglich zu gestalten.

Meine Bachelor-Abschlüsse waren im Maschinenbau am Indian Institute of Technology Bombay. Dort wurde ich als Ingenieur geprägt. Es ist so ziemlich eine der besten technischen Hochschulen der Welt.

Ab wann haben Sie sich für Sensoren interessiert?

Ich erinnere mich an ein Seminar eines Professors für Bauingenieurwesen, der über die Idee sprach, Sensoren in Brücken einzubetten, um die Brückenbetreiber jederzeit über den Zustand der Brücke zu informieren. Dann müsste nicht mehr Wartungspersonal hingeschickt werden, um die Brücke zum Beispiel alle sechs Monate zu inspizieren. Er sprach darüber, wie dies auf eine breitere Palette von Strukturen wie Luft- und Raumfahrzeuge anwendbar wäre. Sensoren überwachen kontinuierlich – dann können Algorithmen diese komplexen Statusströme verarbeiten, um zu verstehen, wie die Struktur zu einem bestimmten Zeitpunkt aussieht.

Dies war meine Einführung in die Idee intelligenter Strukturen und Systeme. Es klang interessant und ich entschloss mich, mehr darüber zu lernen.

Wie sind Sie zu Xerox gekommen?

Nach meinem Abschluss ging ich an die University of Michigan in Ann Arbor, wo ich ein von der Nasa finanziertes fünfjähriges Doktorandenprojekt darüber durchführte, wie diese Ideen auf Luft- und Raumfahrtkonstruktionen im Allgemeinen angewendet werden können. Aber in der Luft- und Raumfahrtindustrie liegt der typische Zeitrahmen für die Einführung neuer Technologien zwischen 15 und 30 Jahren. Das war für mich nicht erfüllend genug. Ich wollte eine schnelle Produktion und den Einsatz von Technologien sehen, an denen ich gearbeitet hatte. Dann stieß ich auf eine Forschungsmöglichkeit bei PARC.

Während meines Interviews bekam ich eine kurze Labortour mit einem leitenden Wissenschaftler, Dr. Peter Kiesel, der an einigen interessanten frühen Ideen zum Thema kostengünstige, kompakte optische Abtastung arbeitete. Ich hatte über optische Abtastung als Option für intelligente Systeme und intelligente Strukturen gelesen. Daher sah ich sofort ein sehr interessantes Potenzial für ein großes Projekt.

Welche Art von Technologien hatten Sie dabei im Sinn?

Nun, ich habe mich mit Dr. Kiesel zusammengetan und einige Anwendungsmöglichkeiten für kostengünstige optische Sensorik untersucht. Unterwegs gab es einige gescheiterte Vorschläge. Dann fanden wir heraus, dass die ARPA-E (die Advanced Research Projects Agency-Energy eine Abteilung der Energiebehörde, die risikoreiche Projekte mit hohem Nutzen finanziert) an Möglichkeiten zur Zustandsbewertung von Batteriemanagementsystemen in Elektrofahrzeugen, Netzspeichern und anderen fortgeschrittenen Anwendungen interessiert war.

Ich hatte bereits kurz über die Möglichkeit nachgedacht, Sensoren in Batteriezellen einzusetzen, aber in diesem Moment begann ich ernsthaft darüber nachzudenken. Also wies ich vorsichtig darauf hin, dass es vielleicht eine gute Idee sein könnte, einen Sensor darin zu integrieren.

Können Sie erklären, was ein Batteriemanagementsystem ist?

Ein Batteriemanagementsystem überwacht den Zustand und die Beschaffenheit der Batterien anhand von Parametern wie Spannung, Strom und Temperatur. Je besser das BMS ist, desto mehr kann es Batterien schützen, ihnen helfen, die volle Leistung zu erbringen und ihre Lebensdauer zu verlängern. Wenn Batteriemanagementsysteme nicht richtig funktionieren, können die Folgen in bestimmten Fällen ziemlich katastrophal sein. Batterieprobleme bei der Boeing 787, zum Beispiel, haben die Luftfahrtindustrie in letzter Zeit über eine Milliarde Dollar gekostet. Dann gibt es noch all die Brände und Sicherheitsvorfälle bei Elektrofahrzeugen. Auch in Netzakkumulatoren ist es zu Bränden gekommen. Jedes Jahr werden buchstäblich Milliarden von Dollar dafür ausgegeben, die Batterietechnologie zu verbessern. Es handelt sich um einen sehr wichtigen Bereich der Energieforschung.

Was hindert Batteriemanagementsysteme daran, richtig zu funktionieren?

Nun, Spannung, Strom und Temperatur sind allesamt elektrische Parameter, die von außerhalb der Zellen überwacht werden und eigentlich nicht genug über den Zustand und die Gesundheit der Batterien zu einem bestimmten Zeitpunkt sagen. Aus diesem Grund neigen wir dazu, bei der Gestaltung von Akkus sehr konservativ vorzugehen. Und wir neigen dazu, bei der Verwendung der Akkus sehr vorsichtig zu sein – die volle Akkukapazität wird selten genutzt.

Daher gibt es bei Laptops und Mobiltelefonen das Problem, dass sie sich beim Öffnen einer intensiven Anwendung ausschalten. Aber Sie sehen eine viel größere Version dieses Problems, wenn Sie zu Elektrofahrzeugen oder Netzspeichern gehen, weil dort die Lasten und Einschränkungen viel aggressiver sind.

Jeder in der Batterieindustrie ist der Meinung, dass es eine bessere Möglichkeit geben sollte, Batterien zu verwalten. Aber niemand hatte die zündende Idee, wie man das macht, denn alle waren so sehr in diese konventionelle Denkweise verfallen: „Wir haben nur diese drei Parameter, die man außerhalb der Zellen überwachen kann“. Im Jahr 2012 war es unser Ziel, diese Denkweise in Frage zu stellen. Ich sah die Gelegenheit, unsere faseroptischen Sensoren in Batteriezellen einzusetzen.

Wie haben andere auf diese Idee reagiert?

Ich wurde nicht gerade gefeiert. Kollegen und Leute aus der Batteriebranche zeigten Interesse, aber es gab auch viel Zögern und Zweifel. Um ehrlich zu sein, gibt es in der Batterieforschung eine lange Liste von Leuten, die sich verrückte Ideen ausgedacht haben, die nirgendwo hinführen. Viele Leute haben verschiedene Optionen ausprobiert, um einen Sensor in eine Zelle einzubetten, sind aber gescheitert. Das Innere einer Batterie ist eine feindliche Umgebung für Sensoren. Niemand hatte wirklich faseroptische Sensoren ausprobiert, und ich war ein Außenseiter, der mit einer anderen Idee kam.

Ich konnte alle davon überzeugen, dass wir zumindest ein zehnseitiges Konzeptpapier für ARPA-E einreichen sollten, um zu versuchen, Mittel zu erhalten. Wir haben diese sehr rohe erste Idee der Einbettung von faseroptischen Sensoren und der Verwendung einer Version einer kostengünstigen Auslesung vorgeschlagen und diese mit intelligenten Algorithmen verknüpft, die diese Rohdaten verwenden können, um daraus abzuleiten, was in Batteriezellen vor sich geht.

Wir haben dieses Konzeptpapier eingereicht und einen Hauch von Ermutigung von ARPA-E sowie einen Ansatz für eine Partnerschaft mit einem Batteriehersteller erhalten. Dann gab es dieses Zeitfenster von ein paar Monaten für die Einreichung eines kompletten Antrags. Ich glaube, wir haben in dieser Zeit mit drei verschiedenen Batterieherstellern gesprochen. Die Antwort war eine sehr interessante Mischung aus Aufregung und Furcht. Ein großer Hersteller von Batterien für Elektroautos hatte bestimmt fünf Gespräche mit uns. Jedes Mal sagten sie, es sei so faszinierend und aufregend, aber sie hätten Angst vor allen Risiken. Die Zeit verging und wir waren nur noch zehn Tage von der Antragsfrist entfernt. Intern bei PARC hatten wir beschlossen, dass wir den Vorschlag nicht weiterverfolgen würden, wenn wir keine Partnerschaft mit einem Batteriehersteller eingehen konnten.

Es ging bis zur letzten Minute. Dann entschloss sich einer der Batteriehersteller, mit denen wir sprachen, LG Chem Power, schließlich zu einer Zusammenarbeit. Das war zehn Tage vor Ablauf der Frist. Um es kurz zu machen: Wir haben in den nächsten zehn Tagen praktisch nicht geschlafen, um sicherzustellen, dass wir einen anständigen Vorschlag machen. Wir haben es gerade noch geschafft!

Monate später, als die Bekanntmachung der ARPA-E-Finanzierung endlich veröffentlicht wurde, waren wir alle einfach überwältigt. Wir erhielten vier Millionen Dollar für ein dreijähriges Projekt, was mindestens eine Million Dollar mehr war als bei allen anderen Projektfinanzierungen. So ziemlich jeder bei PARC war begeistert.

Wir wussten, dass der Vorschlag viele technische Risiken mit sich brachte, und so würden die nächsten drei Jahre an vielen verschiedenen Fronten wirklich interessant sein. Man darf nicht vergessen, dass der Elektrofahrzeugmarkt 2012 noch ein ganz junger Markt war.

Die Idee klingt sofort überzeugend. Warum wurde sie als so riskant gesehen?

Weil sie riskant war. Es gilt dabei drei Dinge sicherzustellen. Erstens: Die Leistung der Batterie darf nicht beeinträchtigt werden – weder in Bezug auf die Ladekapazität noch in Bezug darauf, wie schnell oder langsam Sie einen Zyklus mit dem Sensor in der Zelle entladen können. Zweitens: Die Batterie darf auf keinen Fall undicht werden. Drittens: Erhält man nach all den Schwierigkeiten wirklich ein Signal, das all die Mühe rechtfertigt, die man auf sich genommen hat, um den Sensor in die Batterie zu bringen?

Ich kann Ihnen versichern, dass wir zehn verschiedene Iterationen mit LG Chem Power durchmachen mussten, bei denen das eine oder andere auf dem Weg scheiterte. Jedes Mal, wenn wir durch eine Iteration gingen, war es außerordentlich spannend, denn das LG Chem Power-Team, das uns geholfen hat, befand sich in Südkorea. Jedes Mal, wenn wir ihnen Sensoren schicken mussten, mussten sie sie in die Zellen stecken, und da es sich um eine brandneue Zelle handelt, gibt es eine einmonatige Aktivierungsphase, bevor die Zelle für den Zyklus bereit ist. Dann mussten sie sie an uns zurückschicken.

Hatten Sie jemals das Gefühl, das Projekt könnte scheitern?

Ich werde nicht leugnen, dass es Tage gab, an denen ich dachte: „Oh mein Gott, dieses Projekt wird nächsten Monat enden.“  Aber ARPA-E, LG Chem und das PARC-Managementteam unterstützten uns die ganze Zeit. Sie schwankten zu keinem Zeitpunkt.

Wie erfolgreich war das Projekt SENSOR?

Zu Beginn dieses Projekts waren sich alle, mit denen wir in der Branche gesprochen haben, einig: Wenn es uns gelingt, eine Messgenauigkeit von 2,5 % zu erreichen, wäre das wirklich gut. Um das in Relation zu setzen: Der Stand der Technik liegt bei 5 % oder schlechter. Niemand in der Elektrofahrzeugindustrie wird offen zugeben, wie schlecht seine Systeme sind, aber bei niedrigen Temperaturen ist die Genauigkeit wahrscheinlich nicht besser als 10 %. Die ersten Algorithmen, die wir entwickelt haben, haben gezeigt, dass wir eine Genauigkeit von 2,5 % oder besser über eine breite Palette von Bedingungen und Fallszenarien erreichen können.

Unsere Vision ist es, dass diese Technologie in Elektrofahrzeugen eingesetzt wird. Wer weiß, wohin sie sonst noch führen könnte? Wir haben gezeigt, dass wir die Kosten und die Größe der optischen Anzeigen tatsächlich reduzieren können. Viele optische Auslesesysteme, die heute erhältlich sind, kosten zwischen 15.000 und 35.000 US-Dollar, was etwa dem Preis einer Elektrofahrzeugbatterie selbst entspricht. Sie sind nicht für Autos geeignet und eigentlich nur als Laborgeräte gedacht. Aber mit unserer Technologie zum Lesen von Glasfasersignalen können wir sie auf die Größe von Smartphones reduzieren – und die Kosten auf ein paar hundert Dollar senken. Das gibt mir viel Grund für Optimismus, dass die Sensoren in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden können.

Wie geht es mit dem Projekt SENSOR nun weiter?

General Motors hat die SENSOR-Technologie intern in sein Batterielabor in Michigan gebracht. Das ist das beste Batterielabor der Welt – 8.000 Quadratmeter, die ausschließlich für Tests genutzt werden. Sie durchlaufen eine viel umfangreichere Palette von Testszenarien, die wir hier einfach nicht durchführen können. Die Zeit wird zeigen, ob wir den Härtetest der Kommerzialisierung überstehen. Aber ich sage, auch wenn wir irgendwo auf dem Weg zum Scheitern verurteilt sein sollten, wird es mit Sicherheit irgendwo auf der Welt einen Einsatz dieser Technologie als Bewertungsinstrument in Labors und Einrichtungen geben. Das an sich wäre schon ein großer Erfolg. Wir müssen mit unserem Vertriebsteam zusammenarbeiten, um zu sehen, wie dies sonst noch umgesetzt werden kann.

Wie hat man bei PARC auf dieses Projekt reagiert?

Es hat sicherlich die Voraussetzungen für viele weitere ARPA-E-Projekte bei PARC geschaffen. Als wir unseren Vorschlag für ARPA-E einreichten, gab es trotz mehrerer früherer Versuche keine weiteren ARPA-E-Projekte. Heute sind es acht bei PARC. Aus Sicht von ARPA-E sind wir deren größter Empfänger aus dem privaten Sektor. Natürlich ist das nicht alles auf die Arbeit meines Teams zurückzuführen: Mehrere andere brillante PARC-Forscher, Manager, Supportmitarbeiter und großartige Partnerorganisationen haben zusammengearbeitet, um dies zu erreichen. Aber ich glaube, dass wir dabei eine gewisse Rolle gespielt haben.

Herzlichen Glückwunsch zum Projekt.

Vielen Dank. Es hat Spaß gemacht.

Wir alle haben die Welt verändert. Jeder einzelne von uns. Mit jedem Atemzug zieht unsere Existenz endlose Kreise.

Aber nur wenige von uns haben die Möglichkeit, das Leben von vielen zum Besseren zu verändern. Und noch weniger werden jeden Tag dazu herausgefordert, dies zu tun. Vor diese Herausforderung werden die Wissenschaftler bei Xerox tagtäglich gestellt – zu versuchen, Veränderungen herbeizuführen.

Und wir geben ihnen die Zeit und den Freiraum, um zu träumen. Und die Ressourcen, um diese Träume Wirklichkeit werden zu lassen – unabhängig davon, ob sie neue Materialien mit unglaublichen Funktionen entwickeln oder Augmented Reality nutzen, um das Erinnerungsvermögen von Alzheimer-Patienten zu stärken.

Xerox ist stolz auf seine „Agents of Change“ in seinen weltweiten Forschungszentren.

Bei PARC erhalten Sie weitere Informationen über das SENSOR-Projekt.

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