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.
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 Dr. 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 – DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.01.081
Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318300818
Hochauflösende Bilder:
https://mediatum.ub.tum.de/1435982
Video der Befüllung:
Füllung einer Lithiumionen-Zelle (links: Normaldruck, rechts: Vakuum): Die Benetzung der Elektrode (dunkler Bereich) schreitet von allen Seiten gleichmäßig voran. Unter Vakuum ist die Elektrode nach ca. 50 Min. vollständig benetzt. (Bild: Wolfgang Weydanz / Bosch / TUM)
Kontakt:
Dr. Ralph Gilles
Technische Universität München
Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II)
Lichtenbergstr. 1, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 14665
Ralph.Gilles@frm2.tum.de
http://www.mlz-garching.de/antares
Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 550 Professorinnen und Professoren, rund 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 41.000 Studierenden eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, verknüpft mit Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit einem Campus in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands. www.tum.de
Mit dem Absenden dieses Formulars stimmen Sie zu, dass das pv magazine Ihre Daten für die Veröffentlichung Ihres Kommentars verwendet.
Ihre persönlichen Daten werden nur zum Zwecke der Spam-Filterung an Dritte weitergegeben oder wenn dies für die technische Wartung der Website notwendig ist. Eine darüber hinausgehende Weitergabe an Dritte findet nicht statt, es sei denn, dies ist aufgrund anwendbarer Datenschutzbestimmungen gerechtfertigt oder ist die pv magazine gesetzlich dazu verpflichtet.
Sie können diese Einwilligung jederzeit mit Wirkung für die Zukunft widerrufen. In diesem Fall werden Ihre personenbezogenen Daten unverzüglich gelöscht. Andernfalls werden Ihre Daten gelöscht, wenn das pv magazine Ihre Anfrage bearbeitet oder der Zweck der Datenspeicherung erfüllt ist.
Weitere Informationen zum Datenschutz finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.