Bosch und TU München So lassen sich Lithium-Ionen-Akkus schneller fertigen

Montage einer Akku-Zelle im Instrument ANTARES des FRM II.
Montage einer Akku-Zelle im Instrument ANTARES des FRM II.

Entwickler von Bosch und Wissenschaftler der TU München 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 zeitaufwendigsten 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 sicherzugehen, 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 Technischen Universität 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 sicherzugehen, dass auch wirklich alle Poren der Elektrode mit Elektrolyt gefüllt sind, planen die Hersteller eine lange Sicherheitsmarge ein«, erklärt 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.

Elektrolyt-Befüllung von Lithiumionen-Akkus bei Atmosphärendruck (links) und im Vakuum (rechts) im Licht eines Neutronenstrahls. © TU München

 

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:

W.J. Weydanz et al., 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, Journal of Power Sources, Volume 380, 15 March 2018, Pages 126–134, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.01.081