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Batterieprüfung und -entwicklung

 Mithilfe von industrieller Computertomographie

Batterieprüfung und -entwicklung
 

Die Batterie ist eine der teuersten und sicherheitskritischsten Komponenten in Autos und anderen Elektrofahrzeugen (EV). Sie hat den größten Einfluss auf die Reichweite der Fahrzeuge, und schlechte Qualität kann zu einer rasanten Verringerung führen. Aktuell sind Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) die am weitesten verbreiteten Batterien auf dem Markt. Da sie einen großen Teil der Gesamtkosten des Fahrzeugs ausmachen und extrem sicherheitskritisch sind, muss ihre Integrität durch Einsatz der neuesten Techniken bei der Batterieprüfung mit absoluter Zuverlässigkeit gewährleistet werden. 

Für die Unterhaltungsindustrie werden sogar Batterien mit noch höherer Energiedichte benötigt. Ereignisse der letzten Zeit haben gezeigt, dass auch die Sicherheit dieser Geräte gewährleistet sein muss – insbesondere wenn sie am menschlichen Körper oder im Handgepäck in öffentlichen Verkehrsmitteln getragen werden.

Neben der Produktion bewährter Designs sind Batterien auch in der Forschung ein hochaktuelles Thema. Die Herausforderungen in Forschung und Entwicklung reichen vom Batteriedesign bis zur Charakterisierung der Mikrostruktur der Komponenten. Wissenschaftler arbeiten daran, das Anoden- und Kathodenmaterial von LIBs zu verbessern, und erforschen neue Konzepte wie Festkörperbatterien, wo sich noch kein festgelegtes Innendesign etabliert hat.

Abbildung 1: Prismatische EV-Zelle (Daten mit freundlicher Genehmigung von Waygate Technologies bereitgestellt)

Abbildung 2: Smartphone-Batterie (Daten mit freundlicher Genehmigung von Volume Graphics/PP bereitgestellt)

Die Herausforderung

Aus Sicht der Fertigung müssen Batterien getestet werden, um eine Vielzahl von Schwachstellen zugunsten der maximalen Sicherheit zu vermeiden. Zum Beispiel muss das Batteriegehäuse von LIBs perfekt abgedichtet sein, da der Elektrolyt beim Kontakt mit Wasser hochtoxische Fluorwasserstoffsäure produziert, die für Mensch und Umwelt schädlich ist. Metallische Verunreinigungen, die beim Schweißen des Gehäuses auftreten können, können zu einem Kurzschluss oder einem unkontrollierbaren Temperaturanstieg führen. Obwohl Delaminationen, Schwankungen in der Dicke von Kathode oder Anode und beim Anodenüberstand innere Mängel sind, die nicht gleich zu einem katastrophalen Versagen führen, können sie die Kapazität und die Lebensdauer der Batterie verringern. 

Die Optimierung von Hochleistungsbatterien mit immer größerer Kapazität und Leistung in Elektrofahrzeugen oder in der Unterhaltungselektronik ist ein fortwährender Prozess. Durch die Verbesserung des Fertigungsprozesses und der Zellgeometrien können kleine Fortschritte gemacht werden. Für größere Entwicklungsschritte müssen jedoch völlig neue Materialien entwickelt werden, die ihre eigenen Herausforderungen mit sich bringen, wie die große Volumenveränderung von Silikonanoden während der Ladezyklen und der daraus resultierenden mechanischen Beanspruchung.

Die Volume Graphics Lösung: Computertomographie bietet einen ganzheitlichen Ansatz, von der Forschung und Entwicklung von Batterien über die Serienproduktion zur Qualitätsprüfung für den Zweiten Markt

Herkömmlicherweise werden Batterien elektrisch auf Leistung und Widerstand getestet. Mechanische Mängel bleiben häufig unentdeckt, weil man mit konventionellen Methoden nicht ins Innere des versiegelten Gehäuses blicken kann. Die Batterieprüfung mithilfe der Computertomographie (CT) ermöglicht Ihnen jedoch Einblicke ins Innere der zusammengesetzten Batterie, und Volume Graphics stellt die richtigen Werkzeuge zur Verfügung, um diese Daten für abschließende Qualitätsprüfungen zu nutzen und so jegliche Zweifel bezüglich der Integrität der Batterie zu zerstreuen.

Mit der Software VGSTUDIO MAX können Kunden Batterien in einer Vielzahl von Szenarien testen, unabhängig davon, ob sie vor Ort produziert, von einem Dienstleister bereitgestellt oder sogar schon im vorgesehenen Bauteil installiert wurden. CT ermöglicht Ihnen, in das Innere der Batterie zu blicken und Defekte zu entdecken, bevor sie die Sicherheit oder die Zuverlässigkeit des Bauteils beeinträchtigen.

In der Forschung und Entwicklung ist die vorherrschende 3D-Bildgebungstechnik für die Charakterisierung von aktivem Batteriematerial das Fräsen mit fokussiertem Ionenstrahl in Kombination mit der Rasterelektronenmikroskopie (FIB-SEM). Durch neue Fortschritte in der CT-Technologie können Auflösungen von bis zu 30 nm Voxelgröße erreicht werden – damit wird die CT zu einer sinnvollen Alternative für die klassische Mikro-Computertomographie und FIB-SEM. Unabhängig von der Bildquelle bietet VGSTUDIO MAX Werkzeuge für die Charakterisierung von Mikrostrukturen, um Statistiken, z. B. über Partikelgröße oder Tortuosität des Porenraums, für die Batteriemodellierung abzuleiten. Darüber hinaus können dreidimensionale Verschiebungen über einen längeren Zeitraum mithilfe der digitalen Volumenkorrelation gemessen werden. Dabei werden mehrere Scans, z. B. während des Lebenszyklus oder vor und nach dem Entstehungsprozess miteinander verglichen.

CT-basierte Defektanalysen können verwendet werden, um einzelne Poren/Lunker und Einschlüsse zu identifizieren und deren Größe und Form zu bestimmen (Dichtewürfel 10x10x10 mm, AlSi10Mg; Quelle: FIT AG)

Abbildung 3a: Batterieprüfung einer elektrischen Zahnbürste. Um die Auflösung zu verbessern, wurde nur der Bereich mit der Batterie und der Elektronikplatine gescannt.

Abbildung 3b: Batterieprüfung einer elektrischen Zahnbürste. Batterie und Elektronikplatine im Gehäuse.

Vorteile

Volume Graphics ermöglicht Ihnen die umfassende Untersuchung von Batterien mittels industrieller Computertomographie in der Entwicklung und Qualitätssicherung:

Die Volume Graphics Lösung im Detail

Batterieherstellung

Um zu zeigen, was bei der Produktion von Batterien schiefgehen kann, haben wir absichtlich Batterien mit Defekten hergestellt, um mit industrieller CT und Volume Graphics Software eine Vielzahl von Mängeln zu analysieren. Die CT-Daten wurden von Waygate Technologies zur Verfügung gestellt.

Metallpartikel

Die Abdeckung prismatischer Zellen ist normalerweise mit dem übrigen Gehäuse verschweißt. Schlecht gewählte Einstellungen beim Schweißen können dazu führen, dass kleine Metallpartikel ins Innere der Batterie fallen und den Separator innerhalb des Wickels beschädigen. Mit der Einschlussanalyse von VGSTUDIO MAX können Sie diese Partikel erkennen und ihre Größe und Position quantifizieren um zu entscheiden, ob ein Partikel kritisch ist oder nicht.

Abbildung 4: Prismatische Zelle mit Metalleinschlüssen (Daten mit freundlicher Genehmigung von Waygate Technologies bereitgestellt)

Anodenüberstand

Die Anodenüberstand ist ein wichtiges Sicherheitskriterium bei LIBs. Wenn er zu gering ist, besteht die Gefahr des „Lithium-Plating“ – eine reine Metallausscheidung von Lithium –, das den Separator beschädigen und zu einem Kurzschluss und, im schlimmsten Fall, zu einem unkontrollierbaren Temperaturanstieg führen kann. Untersuchungen mit CT ermöglichen Ihnen die Überprüfung auf ausreichende Überlappung, selbst wenn die Batterie bereits versiegelt oder in einem elektrischen Gerät installiert ist.

Abbildung 5: Der Überstand der Anode ist ein sicherheitskritisches Merkmal von Lithium-Ionen-Batterien, das durch Computertomographie gemessen werden kann. Das Bild zeigt eine farbkodierte Darstellung der Analyseergebnisse.

Delaminationen

Auch wenn Delaminationen zunächst nicht zu einem kritischen Fehler führen, verringern sie doch die Leistung und die Lebensdauer einer Zelle. Auch können sie das sogenannte „Lithium-Plating“ verursachen, das den Separator beschädigen und zu sicherheitskritischen Mängeln der Batterie führen kann. Die Volume Graphics Software kann Delaminationen nicht nur bei der Herstellung visualisieren, sondern auch bei der späteren Wartung, falls die Delaminationen nach mehreren Ladezyklen auftreten.

Abbildung 6a: Durch Untersuchen der Grauwerte senkrecht zu den Lagen können Delaminationen anhand größerer Plateaus mit niedrigen Grauwerten erkannt werden.

Abbildung 6b: Wickel bestehend aus gewickelter Anode, Kathode und Separator. Die dunklen Spalten zwischen den Lagen sind Delaminationen.

Forschung & Entwicklung

Optimierung

An der Charakterisierung des Anoden- und Kathodenmaterials wird laufend geforscht. Mit der Pulveranalyse von VGSTUDIO MAX können Sie die Größe und Form jedes einzelnen Partikels des aktiven Materials charakterisieren und in Gesamtübersichten quantifizieren. Darüber hinaus kann die Größenverteilung in einer bestimmten Richtung untersucht werden, um Veränderungen von Partikeldurchmesser oder ‑form in Bezug auf die Dicke der Beschichtung zu erkennen.

Abbildung 7: Partikel innerhalb des aktiven Batteriematerials können nach Korngröße getrennt und farbkodiert werden.

Neue Batteriekonzepte

Für neue Batteriekonzepte wie Festkörperbatterien braucht es vielleicht ein völlig neues Mikrostruktur-Design. Weil bisher noch kein festgelegtes Design etabliert wurde, müssen auch die Analysemethoden flexibel sein. Ein jüngstes Beispiel sind offene Keramikschäume, die mit einer Replica-Methode hergestellt werden, bei der ein Polymerschaum mit Keramikpuder umhüllt wird. Das Polymer brennt beim Sinterprozess und hinterlässt dabei hohle Stege in der Struktur. Mit VGSTUDIO MAX können Sie die Zellen des offenen Schaums und die hohlen Kanäle innerhalb der Stege getrennt charakterisieren und in einem einfach bedienbaren Workflow quantifizieren.

Abbildung 8: Keramikschäume sind potenzielle Kandidaten für Elektrolytmaterial in zukünftigen Festkörperbatterien. Innerhalb der Stege befinden sich aufgrund des Herstellungsprozesses mit der Replica-Methode dünne Kanäle (blau).

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