Akkufüllung im Neutronenlicht

Füllung einer Lithium­ionen-Zelle unter Vakuum: Die Benetzung der Elektrode (dunkler Bereich) schreitet von allen Seiten gleich­mäßig voran. (Bild: W. Weydanz / Bosch / TUM)

Einer der kritischsten und zeitlich aufwän­digsten Prozesse in der Batterie­herstellung ist das Befüllen der Lithium­ionen-Zellen mit Elek­tro­lyt­flüssig­keit nachdem die Elektroden in die Batterie­zelle eingebaut wurden. Während das Befüllen selbst nur wenige Sekunden dauert, warten Batterie­hersteller oft mehrere Stunden lang, um sicher zu gehen, dass die Flüssig­keit voll­ständig in die Poren des Elektroden­stapels einge­sogen ist.

Da Neutronen vom Metall­gehäuse des Akkus kaum absor­biert werden, kann man mit ihnen Prozesse im Inneren die Akkus sehr gut analy­sieren. Zusammen mit Wissen­schaftlern der TU München und der Univer­sität Erlangen-Nürn­berg unter­suchten Mit­arbeiter der Firma Bosch den Befüll­prozess daher an der Neutronen­radio­grafie- und Tomo­grafie­anlage Antares der Forschungs-Neutronen­quelle FRM-II in Garching.

Viele Hersteller von Lithium­ionen-Zellen befüllen die leeren Zellen im Vakuum. Indirekt wird der Prozess mit Wider­stands­mes­sungen verfolgt. „Um sicher zu gehen, dass auch wirklich alle Poren der Elektrode mit Elek­trolyt gefüllt sind, planen die Her­steller eine lange Sicher­heits­marge ein“, sagt Bosch-Entwickler Dr. Wolfgang Weydanz. „Das kostet Zeit und Geld.“

Montage einer Akku-Zelle im Instrument ANTARES des FRM II. (Quelle: W. Schürmann / TUM)

Im Licht der Neutronen sahen die Wissen­schaftler, dass im Vakuum bereits nach gut fünfzig Minuten die gesamte Elek­trode benetzt ist. Unter Normal­druck dauert dies rund hundert Minuten. Die Flüs­sig­keit breitet sich dabei in der Batterie­zelle von allen vier Seiten aus gleich­mäßig von außen zur Mitte hin aus.

Darüber hinaus nimmt die Elek­trode unter Normal­druck zehn Prozent weniger Elek­tro­lyt­flüssig­keit auf. Schuld daran sind Gase, die die Benetzung mit Flüs­sig­keit behindern, was die Wissen­schaftler mit Hilfe der Neutronen erstmalig zeigen konnten. (Quelle: TUM / pro-physik.de)

Referenz: W. J. Weydanz et al.: Visualization of electrolyte filling process and influence of vacuum during filling for hard case prismatic lithium ion cells by neutron imaging to optimize the production process, J. Power Sources 380, 15 March 2018, 126–134: DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.10.050

Link: ANTARES, Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II), Technische Universität München

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