Akkufüllung im Neutronenlicht

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 Wolfgang Weydanz. „Das kostet Zeit und Geld.“

Im Licht der Neutronen sahen die Wissenschaftler, dass im Vakuum bereits nach gut 50 Minuten die gesamte Elektrode benetzt ist. Unter Normal­druck dauert dies rund 100 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.

TUM / DE