Neue Röntgenanlage zeigt erstmals den Todesmoment einer Batteriezelle
Wenn eine Lithium-Ionen-Zelle thermisch durchgeht, war ihr Inneres bisher eine Blackbox. Eine Röntgenanlage des Fraunhofer EMI filmt das Versagen jetzt mit bis zu 1000 Bildern pro Sekunde. Die VW-Tochter PowerCo soll die Technik 2028 nach Salzgitter holen.
Geschlossen für den Ernstfall: Die Schutzkammer schirmt die Röntgentechnik gegen Hitze, Druck und herausgeschleudertes Material ab.
Foto: Fraunhofer EMI
Für die deutschen Autohersteller war es kein guter Sommer. BMW meldete für das erste Halbjahr eine Ebit-Marge im Autogeschäft von nur noch 3,6 %, bei Mercedes sank das operative Ergebnis der Pkw-Sparte um zwei Drittel und bei Volkswagen brach das Ergebnis nach Steuern um rund 30 % ein. Als Hauptursache gilt das kriselnde China-Geschäft: Dort verlieren die Konzerne auch gegen lokale E-Auto-Hersteller wie BYD, die ihre Batteriezellen selbst fertigen und damit die teuerste Komponente des Elektroautos günstiger bekommen.
Die deutschen Hersteller müssen ihre Zellen zukaufen; Volkswagen baut mit seiner Tochter PowerCo aber gerade eine eigene Fertigung auf. Deren Stammsitz Salzgitter bekommt nun Verstärkung aus der Forschung.
Das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut (EMI) in Freiburg hat eine nach eigenen Angaben einzigartige Hochgeschwindigkeits-Röntgenanlage entwickelt. Sie filmt mit bis zu 1000 Bildern pro Sekunde, was im Inneren großformatiger Batteriezellen passiert, wenn diese an ihre Grenzen kommen. Gemeinsam mit PowerCo will das EMI die Technik jetzt in die Industrie bringen. 2028 soll die Anlage in Salzgitter stehen und dort die Entwicklung der Serienzellen beschleunigen.
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Was beim Thermal Runaway passiert
Der gefürchtetste Störfall einer Lithium-Ionen-Zelle heißt Thermal Runaway, zu Deutsch thermisches Durchgehen. Wird eine Zelle beschädigt, überladen oder überhitzt, verstärken sich chemische Zersetzungsreaktionen gegenseitig: Die Zelle heizt sich immer weiter auf, im Inneren bilden sich Gase, der Druck steigt, schließlich reißt das Gehäuse auf und glühendes Elektrodenmaterial wird herausgeschleudert. Im Batteriepack eines Autos kann die Hitze zudem auf Nachbarzellen überspringen. Dass ein solcher Brand kaum zu löschen ist, zeigte zuletzt der Großbrand eines Batteriespeichers in Bautzen.
Zellhersteller und Autobauer wollen diesen Prozess verstehen, um Zellen so konstruieren zu können, dass er sich nicht ausbreitet oder gar nicht erst startet. Die Schwierigkeit dabei: Das Durchgehen dauert Sekundenbruchteile und läuft hinter einer Metallhülle ab. Bisher waren am Prozess interessierte Entwickler daher nach Angaben des Fraunhofer EMI auf drei Behelfe angewiesen:
- Simulationen
- zerstörende Prüfverfahren
- indirekte Messungen, etwa über Sensoren an der Zelloberfläche
Was im Inneren tatsächlich geschieht, blieb verborgen.
So funktioniert die EMI-Anlage
Die Freiburger Anlage kombiniert Hochleistungs-Röntgentechnik mit einer eigens entwickelten Batterietestkammer. Während die Röntgenkamera mit bis zu 1000 Bildern pro Sekunde ins Zellinnere filmt, erfasst eine umfangreiche Sensorik Temperatur, Druck, Spannung und Gasstrom. So lässt sich jedes Bild aus dem Inneren mit äußeren Messwerten abgleichen. Das Verfahren nennt sich In-situ-Röntgen, weil es den Vorgang direkt am Ort des Geschehens sichtbar macht, ohne die Zelle dafür zu zerlegen.
„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“, erklärt Sebastian Schopferer, Leiter Batteriesicherheit am Fraunhofer EMI.
Eine besondere Ingenieursleistung steckt laut EMI in der Schutzkammer: Sie schirmt die empfindlichen Röntgenkomponenten gegen die Hitze, den Druck und den Materialauswurf ab, die beim thermischen Durchgehen entstehen. Erst dadurch kann die Anlage großformatige prismatische Zellen bis zum Äußersten belasten, ohne sich selbst zu zerstören.
Was die Autoindustrie damit anfängt
Nach eigenen Angaben hat das EMI bereits für mehrere deutsche Autohersteller gemessen, darunter VW und Audi. Charakterisiert wurden dabei der Materialauswurf beim thermischen Durchgehen und die Frage, wie das Versagen in Aufbauten aus mehreren Zellen von einer auf die nächste überspringt.
Mit solchen Daten sollen sich Zelldesigns anhand tatsächlich beobachteter Prozesse bewerten und Simulationsmodelle nachschärfen lassen.
Sprung in die Serie geplant
Demnächst wollen EMI und PowerCo die Technik in die Serienentwicklung überführen. Erste Ergebnisse fließen laut den Partnern schon heute in die Zellen der VW-Tochter ein; 2028 soll die Anlage am PowerCo-Standort Salzgitter installiert werden. Das System ist modular aufgebaut und laut EMI auf andere Zellformate und neue Zellchemien übertragbar, etwa die lange erwarteten Feststoffzellen.
„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“, sagt PowerCo-Technikchef HW Vassen. Gemeinsam mit dem EMI treibe man Hochtechnologie „made in Europe“ voran und stärke Europas Rolle in der Batterieindustrie.
Hoffnungsschimmer für deutsche BEV?
Unklar ist, inwieweit die Technik VWs Rückstand bei der Zellfertigung verkleinern kann. Zumal sie nicht komplett neu ist: Röntgenblicke in Batteriezellen gibt es auch an Synchrotron-Großforschungsanlagen, und Forschende aus Kiel arbeiten an Sensoren, die aus dem Zellinneren heraus funken. Das Besondere an der EMI-Anlage ist, dass sie große Zellen im Moment des Durchgehens filmt und sich in eine Zellfabrik integrieren lässt.
Eine Röntgenanlage alleine wird den schlechten Sommer vermutlich nicht wiedergutmachen, aber sie verkürzt als Teil der Strrategie, die Fertigung ins eigene Haus zu holen, den Weg vom Zellprototyp zur sicheren, serienreifen Batterie. Den Weg also, auf dem die Konkurrenz aus China jahrelangen Vorsprung besitzt. Was das bringt, lässt sich ab 2028 beobachten, wenn die Anlage in Salzgitter steht und PowerCo den Hochlauf seiner Fabriken stemmen muss.
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