Die durchleuchtete Batterie Ausfallanalyse an einem Lithium-Ionen-Akkumulator

Bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator galt es, die Ursache für den elektrischen Ausfall zu finden. Daraufhin wurde der innere Aufbau des Bauteils mithilfe eines Computertomografen zerstörungsfrei analysiert. Dabei ergaben sich einige interessante Dinge, unter anderem, dass der Fehler bereits beim Zusammenbau der Zelle vermieden werden kann.

Der elektrische Ausfall eines Lithium-Ionen-Akkumulators (siehe Kasten »Akku-Details«) war Ausgangspunkt für diese Untersuchung.

Akku-Details 
Die positive Elektrode (Kathode) des Lithium-Ionen-Akkumulators setzt sich aus einem Übergangsmetalloxid wie LiCoO2 zusammen, während die negative Elektrode aus Grafit besteht. Die beiden Elektroden werden durch eine elek­trisch isolierende Separatorlage getrennt, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Diese dünnen Lagen der Elektroden und des Separators werden auf einen nachträglich entfernbaren Dorn aufgewickelt bis die erforderliche Dicke und somit die gewünschte Kapazität erreicht ist. Zur Kontaktierung wird die eine Elektrode mit dem Deckel verbunden und die andere Elektrode mit dem Boden der Zelle elektrisch verschweißt. Ein Lithium-Ionen enthaltender Elektrolyt füllt die Poren der Separatorlage und den verbleibenden Zwischenraum aus. Das Funktionsprinzip dieser Akkumulatoren beruht auf dem Wandern der Lithium-Ionen durch den Elektrolyt zwischen positiver und negativer Elektrode beim Laden und Entladen. 

Die äußere Hülle des Akkumulators zeigte keinerlei Hinweise auf die Ausfallursache – ein Blick in das Innere war demnach nötig. Neben zerstörenden Prüfverfahren wie beispielsweise der Metallografie wurden auch zerstörungsfreie Prüfverfahren wie die Röntgen-Radiografie und die Röntgen-Computertomografie in Betracht gezogen. Die Radiografie liefert nur Überlagerungsbilder, die sich aufgrund der übereinanderliegenden Strukturen des Bauteils im Röntgenbild oft nur schwer interpretieren lassen, sodass letztlich die Wahl auf die Computertomografie (CT) fiel. Dieses Verfahren liefert dreidimensionale Bilder, die es ermöglichen, beliebige Bereiche des Bauteilinneren zerstörungsfrei zu prüfen.

Rekonstruktion eines 3-D-Datensatzes

Um die Defektursache zu analysieren, wurde der innere Aufbau des Plus- und Minuspols mithilfe der Röntgen-Computertomografie auf Fehler untersucht (Bild 1). Dazu wurde der 130-kV-Computertomograf »Desktop-CT exaCT S« von Wenzel Volumetrik eingesetzt, dessen maximale Voxelauflösung bei 5 µm liegt. Um den gewünschten dreidimensionalen Datensatz zu erhalten, sind verschiedene zweidimensionale Projektionsbilder nötig. Hierzu muss sich das Prüfobjekt im Verlauf der Messung um 360° in einem Röntgenkegelstrahl drehen. Während der Drehung nimmt der Detektor die Projektionsbilder auf, die sich aus der materialabhängigen Schwächung des Röntgenstrahls zusammensetzen. Aus ihnen wird nun mittels leistungsstarker Rechner ein dreidimensionaler Datensatz von Volumenelementen (Voxel) rekonstruiert.

Nach der Messung und der Rekonstruktion des Volumens ist es möglich, jede beliebige Schicht des zu prüfenden Bauteils aus unterschiedlichen Perspektiven auf Fehler hin zu überprüfen sowie das Bauteilinnere detailliert darzustellen.

Die Volumendaten werden mit der Analysesoftware visualisiert und analysiert. Durch das rekonstruierte Volumen des Akkumulators können beliebige zweidimensionale Schnittebenen gelegt und mit einer Schrittweite im Mikrometerbereich verfahren werden, sodass eine detaillierte Analyse des Bauteilinneren möglich ist (Bild 2). Die horizontale CT-Schnittebene durch den Akkumulator zeigt die aufgewickelten Elektroden- und Separatorlagen des Akkumulators, in die das sogenannte Tabbändchen eingebracht ist (siehe Pfeil im Bild). Das Tabbändchen verbindet die positive Elektrode mit dem Deckel der Zelle.

Betrachtet man das Tabbändchen des Pluspols aus einer vertikalen Perspektive im CT-Volumenscan (Bild 3), finden sich in der unteren Bildhälfte die Wicklungen wieder, in die das Tabbändchen mündet, und darüber der Anschluss des Tabbändchens an den Pluspol. Oberhalb der Wicklungen in der ersten Wendung des Tabbändchens ist deutlich eine Unterbrechung zu erkennen (siehe Pfeil), die den elektrischen Ausfall verursacht hat. Durch Verfahren der Schnittebenen vor und hinter der schadhaften Stelle ist zu erkennen, dass sich diese an derselben Position durchgehend über alle weiteren vertikalen Schnittebenen erstreckt und demzufolge das Tab¬bändchen komplett gerissen ist.

Die Analysesoftware ermöglicht mit Clippingboxen das Wegschneiden von Volumenteilen des Akkumulators. So konnte das Tabbändchen durch gezieltes Ausblenden von Bereichen freigelegt werden, sodass der durchgehende Riss im CT-Volumenscan sehr gut zu erkennen ist (Bild 4).

Der direkte Vergleich der vertikalen CT-Schnittebenen des elektrisch ausgefallenen Akkumulators (oben) mit einem elektrisch funktionsfähigen baugleichen Akkumulator (unten) zeigt erwartungsgemäß ein intaktes Tabbändchen beim funktionstüchtigen Akkumulator (Bild 5). Ohne das Vergleichsobjekt wäre die Interpretation der Fehlstelle kritisch zu hinterfragen, da es in CT-Bildern oftmals zu Artefakten kommt. Artefakte sind Abweichungen von der Wirklichkeit im CT-Bild, die künstlich entstanden sind. So wäre an dieser Stelle ebenfalls in Betracht zu ziehen, dass es sich bei dem Riss um keinen wirklichen Spalt im Tabbändchen handelt, sondern dieser durch einen Schatten des stärker absorbierenden Mantels des Akkumulators verursacht wurde.

Aufgrund der durchgehenden Unterbrechung des Tabbändchens besteht kein elektrischer Kontakt zwischen der positiven Elektrode und dem Zelldeckel, sodass der Akkumulator elektrisch ausfällt. Um den Fehler künftig zu vermeiden, ist bereits bei der Zellherstellung darauf zu achten, dass es zu keiner übermäßigen Beanspruchung und damit Beschädigung des 150 µm dicken Tabbändchens beim Zusammenbau der Zelle kommt. Dass der Riss im Tabbändchen von einem äußeren Einfluss, etwa einer mechanischen Belastung der Zelle, herrührt, ist kaum in Erwägung zu ziehen, da keine äußere Krafteinwirkung in Form einer Deformation sichtbar ist.

Weitere denkbare Anwendungen der Computertomografie in diesem Zusammenhang sind beispielsweise die Darstellung der inneren Strukturen als Teil von Designprüfungen, Zellevaluierungen oder die Detektion möglicher Fremdkörper innerhalb der Zellen.

Über den Autor:

Miriam Rauer ist Projektmitarbeiterin und Prof. Dr. Michael Kaloudis ist Dekan, beide an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Hochschule Aschaffenburg.