05. Apr 2018

Montage einer Akku-Zelle im Instrument Antares des FRM II ©Bild: Wenzel Schürmann/TUM

TUM: Neutronen helfen Herstellung von Lithiumionen-Zellen zu beschleunigen

(TUM) Entwickler von Bosch und Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben Neutronen eingesetzt, um das Befüllen eines Lithiumionen-Akkus für Hybridautos mit Elektrolytflüssigkeit zu analysieren. Ihr Experiment zeigte, dass die Elektroden unter Vakuum doppelt so schnell benetzt werden 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.

Befüllprozess mit Neutronen untersucht
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.

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 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.

Publikation
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


Text: Technische Universität München (TUM)

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