Lithium-Ionen-Batterien sind seit mehr als 20 Jahren auf dem Markt und funktionieren gut. Die Ansprüche an ihre Leistungsfähigkeit und Lebensdauer sind aber in neuerer Zeit enorm gestiegen, weil sie durch die Energiewende auch für die Elektromobilität und in großen stationären Stromspeichern eingesetzt werden. Deshalb werden sie inzwischen intensiv in allen Facetten weltweit erforscht – auch am MLZ. Ein wesentlicher Forschungsbedarf besteht auch bezüglich der Kostenreduktion. Neben dem Einsatz günstigerer Materialien lassen sich die Kosten durch effizientere Produktionsprozesse senken. Als ein schwieriger und kritischer Schritt der Batterieproduktion hat sich die gleichmäßige Befüllung mit Elektrolytflüssigkeit heraus kristallisiert. Dieser Vorgang ist nicht einfach auf den notwendigen großen Maßstab zu übertragen, ist gleichzeitig aber ein Schritt, mit dem sich enorme Kosten einsparen lassen, damit beispielsweise E-Autos konkurrenzfähig werden. Thomas Knoche und seine Kollegen vom Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TUM (iwb) sowie Mitarbeiter vom MLZ haben sich auf die sogenannten Folienzellen fokussiert und deren Befüllung mit Hilfe von Neutronenradiographie im Rahmen des BMBF Projekts EXZellTUM untersucht.
Üblicherweise werden die Batteriezellen im Vakuum befüllt, verschlossen und anschließend so lange gelagert, bis der Elektrolyt gleichmäßig verteilt ist. In den viel größeren Folienzellen nimmt dieser Vorgang sehr viel mehr Zeit in Anspruch als für die üblichen kleinen Haushaltsbatterien, zum einen wegen der längeren Flusspfade, zum anderen besteht durch das größere Volumen die Gefahr von mehr Lufteinschlüssen. Hier kann gespart werden, wenn dieser Prozess durch eine bessere Flüssigkeitsverteilung effizienter gestaltet werden kann und dadurch eine kürzere Lagerungsphase ermöglicht. „Obwohl dieser Prozess ganz und gar nicht unbekannt ist und einige Patente dazu angemeldet sind, ist er wissenschaftlich nicht wirklich verstanden. Bisher konnte man nur darüber spekulieren, was während der Befüllung im Zellinneren passiert“, meint Thomas Knoche. „Das wollten wir ändern, zumal wir direkt gegenüber auf dem Campus dafür das richtige Instrument fanden: ANTARES.“ Dazu haben die Ingenieure und Physiker am ANTARES eine automatische Füllanlage gebaut und konnten mit der Neutronenradiographie der Folienzelle bei der Befüllung zuschauen. So konnten sie direkt beobachten, wie sich der Elektrolyt zwischen den Elektroden verteilt. Die Batteriezellen wurden in einer eigens zu Forschungszwecken errichteten Produktionslinie am iwb selbst hergestellt.
Die Neutronenradiographie hat sich für diese Experimente als außerordentlich hilfreich erwiesen. So konnten die Wissenschaftler wertvolle Rückschlüsse auf den Produktionsprozess ziehen. Die Elektrolytflüssigkeit muss in einer Richtung in die Zelle einfließen, so dass die Gefahr von Gaseinschlüsse verringert wird. Luftblasen nach der Befüllung zu entfernen ist mit erheblichem prozesstechnischem Aufwand verbunden. Zudem können Lufteinschlüsse außer mit Neutronenradiographie kaum nachgewiesen werden. Für die exakte Befüllung spielen unter anderem die genaue Position der Füllnadel und der angewendete Druck eine wichtige Rolle. Ralph Gilles vom MLZ erklärt diesen Effekt: „Wir konnten herausfinden, dass durch Absenken und Erhöhen des Drucks sich die Elektrolytflüssigkeit besser zwischen den Elektroden verteilt.“ Der Ingenieur Thomas Knoche ergänzt: „Dieses Ergebnis ist für die Entwicklung der Prozesstechnik sehr wichtig und kann die Herstellungskosten solcher Akkus entschieden senken.“
Originalpublikation mit Video:
Thomas Knoche, Veronika Zinth, Michael Schulz, Joscha Schnell, Ralph Gilles, Gunther Reinhart;
In situ visualization of the electrolyte solvent filling process by neutron radiography;
Journal of Power Sources 331, 267 (2016)
