Schnelleres Befüllen von Lithiumionen-Akkus

Bosch Batterien Hagen Reisenweber von der Universität Erlangen-Nürnberg beim Befüllen des Lithiumionen-Akkus am Instrument ANTARES. © Wenzel Schürmann / TUM

Hagen Reisenweber von der Universität Erlangen-Nürnberg beim Befüllen des Lithiumionen-Akkus am Instrument ANTARES. © Wenzel Schürmann / 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 Elektrode in die Batteriezelle eingebaut wurde. 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. Aluminium ist für Neutronen fast durchsichtig, während hingegen Lithium und Wasserstoff die kleinen neutralen Teilchen stark absorbieren. „Deshalb sind Neutronen ideal geeignet, um die wasserstoff- und lithiumhaltige Elektrolytflüssigkeit im Inneren des Aluminiumgehäuses der Batterie sichtbar zu machen“, erklärt Dr. Ralph Gilles vom FRM II, der zusammen mit Bosch-Entwickler Dr. Wolfgang Weydanz die Idee für dieses gemeinsame Experiment entwickelte.

Team Bosch - FRM II Die Wissenschaftler und Entwickler, die am Experiment beteiligt waren (v.l.): Andy Gottschalk (Bosch), Thomas Knoche (IWB, TUM), Hagen Reisenweber (FAU Erlangen-Nürnberg), Dr. Ralph Gilles (FRM II, TUM), Dr. Wolfgang Weydanz (Bosch), Dr. Michael Schulz (FRM II, TUM). © Wenzel Schürmann / TUM

Die Wissenschaftler und Entwickler, die am Experiment beteiligt waren (v.l.): Andy Gottschalk (Bosch), Thomas Knoche (IWB, TUM), Hagen Reisenweber (FAU Erlangen-Nürnberg), Dr. Ralph Gilles (FRM II, TUM), Dr. Wolfgang Weydanz (Bosch), Dr. Michael Schulz (FRM II, TUM). © Wenzel Schürmann / TUM

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 Dr. Wolfgang Weydanz. „Das kostet Zeit und Geld.“

Den speziellen Experimentieraufbau mit einer Befülleinrichtung hatte Dr. Thomas Knoche vom Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TUM im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt. Diesen platzierten die Wissenschaftler in den Neutronenstrahl der Forschungs-Neutronenquelle. Zusammen mit Dr. Michael Schulz von der TUM wurden die Neutronenmessungen durchgeführt und ausgewertet.

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.