Röntgenblick in die Batteriezelle: Fraunhofer macht Akku-Versagen in Echtzeit sichtbar

Hochdynamische Röntgentechnologie soll sichtbar machen, was in Sekundenbruchteilen im Inneren großformatiger Batteriezellen bei Belastungen passiert. Damit wollen deutsche Forscher die Entwicklung sichererer Zellgenerationen für die europäische Automobilindustrie beschleunigen.

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

Die Anlage kombiniert den Angaben zufolge Hochleistungs-Röntgentechnik mit einer speziell entwickelten Batterietestkammer sowie 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, erklären die Wissenschaftler. Diese Prozesse seien bisher vollständig im Verborgenen abgelaufen.

„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“, so Sebastian Schopferer, Leiter Batteriesicherheit am Fraunhofer EMI. Eine zentrale ingenieurtechnische Leistung sei dabei die Entwicklung einer Schutzkammer gewesen, die empfindliche Röntgenkomponenten zuverlässig vor den extremen Bedingungen beim thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Zellen abschirmt.

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 laut den Forschern möglich, Zelldesigns auf Basis tatsächlich beobachteter Prozesse zu bewerten und bestehende Simulationsmodelle gezielt zu verfeinern. Das sei 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“, heißt es.

Erste Ergebnisse aus der Zusammenarbeit fließen laut dem Fraunhofer EMI bereits heute in die Entwicklung optimierter Serienzellen der PowerCo ein und beschleunigen den Weg von der Forschung in die industrielle Anwendung. Die Anlage soll im Jahr 2028 am PowerCo-Standort in Salzgitter installiert werden. Das modular konzipierte System ist auf verschiedene Zellformate und neue Zellchemien skalierbar und damit auch auf die Entwicklung kommender Batteriegenerationen ausgerichtet.

„Mit dem In-Situ Hochgeschwindigkeitsröntgen heben wir die Batterieforschung auf ein neues Niveau“, sagt HW Vassen, CTO bei PowerCo. „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.“