21.03.2018

Akkufüllung im Neutronenlicht

Befüllen von Lithiumionen-Akkus unter Vakuum läuft doppelt so schnell wie unter Normaldruck.

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.

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

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

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