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.
Beachten Sie auch die wissenschaftliche 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 proces, 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