Was geschieht im Inneren einer Batteriezelle, wenn sie versagt? Bislang waren Zellhersteller und Fahrzeugintegratoren auf Simulationen, zerstörende Prüfverfahren und indirekte Messungen angewiesen. Das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, hat eine weltweit einzigartige Hochgeschwindigkeits-Röntgenanlage entwickelt, die dynamische Prozesse in großformatigen prismatischen Zellen erstmals in Echtzeit sichtbar macht. Gemeinsam mit dem deutschen Zellhersteller PowerCo, eine Tochtergesellschaft des VW-Konzerns, wird diese Technologie nun in die industrielle Anwendung überführt.

Die Anlage kombiniert Hochleistungs-Röntgentechnik mit einer speziell entwickelten Batterietestkammer sowie umfassender Sensorik zur simultanen Erfassung von Temperatur, Druck, Spannung und Gasstrom. Mit bis zu 1000 Bildern pro Sekunde werden Vorgänge wie Gasbildung, Materialverschiebungen und Rissbildung im Zellinneren in höchster Auflösung erfasst – Prozesse, die bisher vollständig im Verborgenen abliefen.

»Mit unserem In-situ-Verfahren können wir nachvollziehen, was in Sekundenbruchteilen in einer Zelle passiert – in Echtzeit, mit höchster Auflösung. Das verändert unser grundlegendes Verständnis von Batteriekonstruktion und -sicherheit«, sagt Dr. Sebastian Schopferer, Leiter Batteriesicherheit am Fraunhofer EMI.

Eine zentrale ingenieurtechnische Leistung war dabei die Entwicklung einer Schutzkammer, die empfindliche Röntgenkomponenten zuverlässig vor den extremen Bedingungen beim thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Zellen abschirmt.

Praxisbewährte Ergebnisse – bereits im Einsatz beim Volkswagen-Konzern

Die Technologie ist nicht nur Theorie: Das Fraunhofer EMI hat bereits für mehrere deutsche Autohersteller, unter anderem für VW und Audi, den Materialauswurf beim thermischen Durchgehen sowie das Propagationsverhalten in Mehrzellenaufbauten charakterisiert. Die gewonnenen Daten machen es möglich, Zelldesigns auf Basis tatsächlich beobachteter Prozesse zu bewerten und bestehende Simulationsmodelle gezielt zu verfeinern – ein direkter Mehrwert für Produktentwicklung und Zulassungsprozesse.

Transfer in die Industrie bis 2028

Im nächsten Schritt überführen das Fraunhofer EMI und PowerCo die Technologie in den industriellen Einsatz. Das Institut bringt seine Expertise in Materialforschung, Batterie-Missbrauchsprüfung und Hochgeschwindigkeitsbildgebung ein. PowerCo stellt die Anforderungen der Serienfertigung sowie den Zugang zu realen Zelltypen bereit.

Erste Ergebnisse aus der Zusammenarbeit fließen bereits heute in die Entwicklung optimierter Serienzellen der PowerCo ein und beschleunigen den Weg von der Forschung in die industrielle Anwendung. Die Anlage wird im Jahr 2028 am PowerCo Standort in Salzgitter installiert.

Das modular konzipierte System ist auf verschiedene Zellformate und neue Zellchemien skalierbar – ein entscheidender Vorteil für die Entwicklung kommender Batteriegenerationen.

»Mit dem In-Situ Hochgeschwindigkeitsröntgen heben wir die Batterieforschung auf ein neues Niveau: Erstmals können wir die dynamischen Prozesse im Inneren von Zellen in Echtzeit und Zeitlupe sichtbar machen. Diese nie dagewesene Einblickstiefe ermöglicht es uns, Sicherheit und Design von Batteriezellen gezielt zu optimieren und Innovationen deutlich schneller in die industrielle Anwendung zu überführen. Gemeinsam mit dem Fraunhofer EMI treiben wir so Hochtechnologie ‚made in Europe‘ voran und stärken Europas Rolle in der Batterieindustrie.«, so HW Vassen, CTO bei PowerCo.