Einer der kritischsten und zeitlich aufwändigsten Prozesse in der Batterieherstellung ist das Befüllen der Lithiumionen-Zellen mit Elektrolytflüssigkeit nachdem die Elektrode in die Batteriezelle eingebaut wurde. 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. Aluminium ist für Neutronen fast durchsichtig, während hingegen Lithium und Wasserstoff die kleinen neutralen Teilchen stark absorbieren. „Deshalb sind Neutronen ideal geeignet, um die wasserstoff- und lithiumhaltige Elektrolytflüssigkeit im Inneren des Aluminiumgehäuses der Batterie sichtbar zu machen“, erklärt Dr. Ralph Gilles vom FRM II, der zusammen mit Bosch-Entwickler Dr. Wolfgang Weydanz die Idee für dieses gemeinsame Experiment entwickelte.
Schneller im Vakuum
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 Dr. Wolfgang Weydanz. „Das kostet Zeit und Geld.“
Den speziellen Experimentieraufbau mit einer Befülleinrichtung hatte Dr. Thomas Knoche vom Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TUM im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt. Diesen platzierten die Wissenschaftler in den Neutronenstrahl der Forschungs-Neutronenquelle. Zusammen mit Dr. Michael Schulz von der TUM wurden die Neutronenmessungen durchgeführt und ausgewertet.
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.
Originalveröffentlichung:
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
W.J. Weydanz, H. Reisenweber, A. Gottschalk, M. Schulz, T. Knoche, G. Reinhart, M. Masuch, J. Franke, R. Gilles
Journal of Power Sources, Volume 380, 15 March 2018, Pages 126–134,
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.01.081
Video:
Elektrolyt-Befüllung von Lithiumionen-Akkus im Licht eines Neutronenstrahls