Seit der Markteinführung von Lithium-Ionen-Zellen für Elektroautos, E-Bikes und Stromspeicher gewinnt die detaillierte Analyse gealterter oder defekter Akkus immer mehr an Bedeutung. Häufig geht es bei der Schadensbeurteilung um die Frage, ob unsachgemäße Nutzung, Produktionsfehler oder Schwachstellen in der Konstruktion die Beeinträchtigung verursacht haben.

Zu unseren Kernkompetenzen  gehören Zellöffnungen, Post-Mortem-Analysen sowie zerstörrungsfreie 3D-computertomgrafische Untersuchungen an Batterien und Zellen. Die Ausstattung umfasst professionelle Arbeitsplätze zur Zellöffnung sowie einen 3D-Röntgen-Computertomografen für Blicke in den inneren Aufbau von Batterien und ihren Bestandteilen.

Ansprechpartner

Michael Kasper
+49 (0)731 95 30-564
Zellöffnung

// Aufklärung von Schädigungsmechanismen

Zur Schadensanalyse und für die Bewertung neuer oder gealterter Zellen sind wir auf Zellöffnungen und Post-Mortem-Analysen spezialisiert. Die Analyseergebnisse sind essenziell für das Verständnis von Alterungsprozessen und potenziellen Sicherheitsrisiken sowie für die Optimierung des Zelldesigns.

Geprüft werden sämtliche Typen von Batterien – von konventionellen Batterien über Lithium-Ionen-Batterien bis hin zu neuen Super Caps. Ob Rundzellen, Pouchzellen oder prismatische Zelldesigns, bis zu einer Kapazität von 400 Amperestunden werden alle Formate fachgerecht untersucht.

Aus den Ergebnissen der Post-Mortem-Analysen können Schädigungsmechanismen abgeleitet werden. So fanden wir beispielsweise in einer Studie mit kommerziellen 18650-Lithiumbatterien heraus, dass sich deren Alterungsmechanismus mit der Umgebungstemperatur ändert: Bei höheren Temperaturen findet die Zersetzung des Leitsalzes auf der Oberfläche der Anode statt, wohingegen sich bei tiefen Temperaturen metallisches Lithium auf den Anoden abscheidet (siehe Abbildung).

Nach dem Öffnen der Zellen steht am ZSW eine große Bandbreite von  physikalisch-chemischen Analysemethoden zur Untersuchung der Schädigungsmechanismen zur Verfügung: Mittels SEM, EDX, ICP-OES, XRD und GC-MS werden bei uns alle Bestandteile der Zellen – Anoden, Kathoden, Separatoren und Elektrolyt – eingehend untersucht.

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Professionelle und sichere Zellöffnung. Foto: ZSW/S. Ströbele
Professionelle und sichere Zellöffnung. Foto: ZSW/S. Ströbele
Temperaturabhängige Änderung des Alterungsmechanismus in Lithiumbatterien. Bild: ZSW
Temperaturabhängige Änderung des Alterungsmechanismus in Lithiumbatterien. Bild: ZSW
3D-Computertomografie

// Zerstörrungsfreie Schadensanalyse und Qualitätssicherung

Einblicke in das innere von Zellen liefern entscheidende Erkenntnisse zur Optimierung von Zellen und zu den Produktionsprozessen. Zerstörungsfreie Blicke in den inneren Aufbau von Batterien und ihren Bestandteilen können wir mittels 3D-Röntgen-Computertomografie aufzeigen.

Die Ergebnisse solcher Messungen bieten die Basis für eine gezielte Verbesserung von Materialien und Prozessen im Rahmen der Elektroden- und Zellfertigung und sind darüber hinaus Teil der Entwicklung neuer Prüfmethoden für die Batterieindustrie.

Für die Untersuchungen bei Schadensfällen oder zur Qualitätssicherung neuer Batterien kommt ein rund 2,5 Meter langer, 2 Meter hohrn und 1,60 Meter breiter Computertomograf zum Einsatz.

 „Wir können kleinste Anomalien und Strukturänderungen im Zellinneren dreidimensional sichtbar machen.“

 

 

Batterieschadensbeurteilung mittels hochauflösender 3D-Computertomographie. Bild: ZSW/M. Duckek
Batterieschadensbeurteilung mittels hochauflösender 3D-Computertomographie. Bild: ZSW/M. Duckek
3D-CT-Aufnahme einer prismatischen Wickelzelle
3D-CT-Aufnahme einer prismatischen Wickelzelle.

„Damit werden entscheidende Erkenntnisse zur Optimierung von Zellen und zu den Produktionsprozessen gewonnen.“

 

Mit zwei unterschiedlich starken Röhren kann der innere Aufbau von Batterien und ihren Bestandteilen sichtbar gemacht werden.  Vor allem größere Zellen und ganze Batteriemodule können mit einer Mikrofokusröhre mit 300 Kilovolt (KV) Spannung durchleuchtet werden, und das bei einer Detailerkennbarkeit bis 1 µm.Mit einer Nanofokusröhre können winzige Details bis  0,5 µm im Zellinneren dreidimensional sichtbar gemacht werden.

Kontakt:
Rainer Stern
Telefon:  +49 (0)731 95 30 345
E-Mail: rainer.stern@zsw-bw.de