Röntgenvideoanalyse für dynamische Versagensvorgänge im Innern von Lithium-Ionen-Batterien

Ein detailliertes Verständnis von Versagensprozessen im Innern von Batteriezellen ist zentral wichtig, um die Sicherheit und Robustheit dieser Energiespeicher zu erhöhen. Für diesen Zweck wird auch dynamisches Röntgen eingesetzt, wie zum Beispiel am Synchrotron ESRF in Grenoble, mit dem das EMI zusammenarbeitet. Diese Technologie bildet einen wichtigen Meilenstein für die Analyse von Batterieversagen, da sie optisch unzugängliche zellinterne Vorgänge sichtbar werden lässt. Bislang waren diese Untersuchungen auf sehr kleine Zellen begrenzt, da eine versagende Batterie eine nicht unerhebliche Gefahr darstellt. Gerade die mit großen Herausforderungen verknüpfte Unter-suchung deutlich größerer Zellen, wie sie für wehrtechnische Anwendungen zu erwarten sind, ist jedoch hochgradig praxisrelevant. 

Aus diesem Grund wurde am EMI eine neue Methode zur Untersuchung des Versagens von Lithium-Ionen-Zellen größerer Bauart unter extremen Bedingungen etabliert. Hierfür wird eine Drehanodenröhre eingesetzt, mit der Videoaufzeichnungen von bis zu fünf Sekunden Dauer und Bildraten von bis zu 2000 Bildern pro Sekunde möglich sind. Zur Untersuchung von Penetrationsvorgängen wurde eine Nagelvorrichtung aufgebaut, mit der Zellen unterschiedlicher Formate (Rundzellen, prismatische Zellen und Pouch-Zellen) durch Anstechen beschädigt und dadurch ins Versagen, einen sogenannten Thermal Runaway, getrieben werden können. Videoaufnahmen eines solchen Versuchs lassen Beobachtungen zu verschiedenen Zeitpunkten nach dem Anstechen zu: Der Nagel (im ersten Bild links unten, blauer Kreis) tritt in die Zelle ein, vier Sekunden nach dem Anstechen beginnt sich der gesamte Zellwickel zu bewegen und drückt aus dem Gehäuse nach oben. 

Neben den Nagelversuchen wurden auch Tests zur Initiierung eines Thermal Runaway mittels Überhitzen durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden an den Zellen angebrachte Heizfolien verwendet, um die Zellen bis über die kritische Temperatur zu erhitzen. Es wird zurzeit daran gearbeitet, eine lokale Aufheizung mittels Laser zur realisieren, wodurch die kritische Temperatur an einem bestimmten Ort deutlich schneller auftritt.

© Fraunhofer EMI
Videobilder der zellinternen Vorgänge nach dem Anstechen einer geladenen Zelle mit einem Nagel (blauer Kreis links unten im ersten Bild), aufgenommen mit 1000 Bildern pro Sekunde.