Wie heiß wird ein Akku innen wirklich? Forscher messen erstmals näher am Zellkern

Wie stark erwärmt sich ein Akku unter hoher Belastung? Die Antwort hängt auch davon ab, wo gemessen wird. Bei einem Versuch mit Lithium-Ionen-Zellen registrierten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) im Zellinneren eine durchschnittlich rund 2 °C höhere Temperatur als an der Oberfläche. Das Ergebnis könnte helfen, thermische Modelle für Batteriemanagementsysteme zu verbessern.

Die Untersuchung entstand im Rahmen eines Auftragsforschungsprojekts für den Werkzeughersteller Hilti. Die Ergebnisse wurden im Journal of The Electrochemical Society veröffentlicht. Ziel war es, die Wärmeentwicklung kommerzieller Hochleistungszellen unter hohen Entladeströmen genauer zu erfassen. Bislang werden Temperaturen meist außen am Zellgehäuse gemessen. Wie heiß es zwischen den Elektroden tatsächlich wird, lässt sich daraus nur indirekt ableiten.

Messung bei bis zu 100 Ampere

Für die Versuche verwendete das Forschungsteam Lithium-Ionen-Pouchzellen mit einer Kapazität von 4,5 Ah und Elektroden auf Basis von Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid und Graphit. Die Forschenden öffneten die Zellen unter Argon-Schutzgas, brachten Thermoelemente im Elektrodenkern an und verschlossen die Zellen wieder. Weitere Sensoren an der Außenseite ermöglichten den Temperaturvergleich.

Bei einer Stromstärke von 90 A, der 20-fachen Nennkapazität pro Stunde (20 C), lag die Temperatur im Zellkern des Akkus während der Entladung im Mittel rund 2 °C über der Oberflächentemperatur. Die Belastung ist erheblich: Eine Entladerate von 20 C entspricht rechnerisch einer vollständigen Entladung in 3 min. Bei der höchsten untersuchten Stromstärke von 100 A überschritt die Oberflächentemperatur laut Studie sogar 85 °C, noch bevor die Entladung abgeschlossen war.

Sensoren beeinflussen das Zellverhalten von Akkus

Eine Hürde bei direkten Innentemperaturmessungen ist, dass der Einbau von Sensoren die Batterie selbst verändern kann. Deshalb untersuchte das Team auch die Auswirkungen des Eingriffs.
Gegenüber unveränderten Referenzzellen sank die entnehmbare Kapazität um etwa 2 %. Zudem verlängerte sich die Halbwertszeit der Abkühlung an der Zelloberfläche von rund 5,4 auf 6,1 min. Der Sensoreinbau hatte damit einen messbaren Einfluss auf das thermische Verhalten.

Computertomografische Aufnahmen bestätigten die Position der Sensoren im Zellkern des Akkus und zeigten nur örtlich begrenzte strukturelle Veränderungen. Chemische Analysen wiesen allerdings Veränderungen in unmittelbarer Nähe der Einbringstelle nach. Bei der Auswahl der Sensormaterialien besteht daher noch Optimierungsbedarf.

Was die Messungen für das Batteriemanagement bringen

Für die Entwicklung von Batteriemanagementsystemen sind präzise Informationen über die Temperaturverteilung innerhalb einer Zelle wichtig. Bei hohen Entladeströmen können sich Temperaturunterschiede zwischen Zellkern und Oberfläche des Akkus bilden, die von außen nicht vollständig erfasst werden.

Die Messdaten aus dem Inneren sollen helfen, thermische Simulationsmodelle zu überprüfen und die tatsächliche Belastung von Hochleistungszellen besser abzuschätzen. Solche Modelle können unter anderem dazu beitragen, die Leistungsbegrenzung und das Temperaturmanagement von Batteriesystemen gezielter auszulegen.

Das Fraunhofer ISE hält das Verfahren grundsätzlich auch für andere Zellformate und Zellchemien für geeignet. Bei größeren Zellen erwartet das Institut stärkere Temperaturunterschiede. Experimentell belegt ist dies durch die vorliegende Untersuchung allerdings noch nicht.

Lithium-Ionen-Zellen: Das zeichnet das Verfahren aus

Direkte Temperaturmessungen innerhalb von Lithium-Ionen-Zellen sind zudem nicht grundsätzlich neu. Eine 2025 veröffentlichte Studie beschreibt beispielsweise den Einsatz integrierter PT1000-Temperatursensoren. Besonders ist das jetzt veröffentlichten Verfahren deshalb, weil kommerzielle Hochleistungs-Pouchzellen nachträglich mit Temperaturfühlern ausgestattet und unter extrem hohen Entladeströmen untersucht worden sind.