Fraunhofers Röntgenanlage macht Zellinneres sichtbar / PowerCo als Nutzer
Das Fraunhofer EMI hat eine spezielle Röntgentechnologie entwickelt, die dynamische Prozesse in großformatigen prismatischen Batteriezellen in Echtzeit sichtbar macht. Gemeinsam mit Volkswagens Batterie-Tochter PowerCo soll diese Technologie nun in die industrielle Anwendung überführt werden.
Die innovative Röntgentechnologie bezeichnet das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, als „weltweit einzigartige Hochgeschwindigkeits-Röntgenanlage“. Sie mache sichtbar, was in Sekundenbruchteilen im Inneren großformatiger Batteriezellen bei Belastungen passiert – und beschleunige die Entwicklung sichererer Zellgenerationen für die europäische Automobilindustrie, schreiben die Wissenschaftler in einer begleitenden Mitteilung.
Der Ansatz soll eine Antwort auf die Frage geben, was im Inneren einer Batteriezelle vor sich geht, wenn sie versagt. Bislang waren Zellhersteller und Fahrzeugintegratoren dabei auf Simulationen, zerstörende Prüfverfahren oder indirekte Messungen angewiesen. Durch das nun vom Fraunhofer EMI entwickelte Verfahren soll hingegen den Blick in die arbeitende Zelle erlauben. Die Anlage kombiniert dafür laut den Verantwortlichen Hochleistungs-Röntgentechnik mit einer speziell entwickelten Batterietestkammer sowie umfassender Sensorik zur simultanen Erfassung von Temperatur, Druck, Spannung und Gasstrom. „Mit bis zu 1.000 Bildern pro Sekunde werden Vorgänge wie Gasbildung, Materialverschiebungen und Rissbildung im Zellinneren in höchster Auflösung erfasst – Prozesse, die bisher vollständig im Verborgenen abliefen“, schreibt das Institut.
Dr. Sebastian Schopferer, Leiter Batteriesicherheit am Fraunhofer EMI, betont: „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.“ 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.
Wie relevant der Ansatz ist, zeigt unterdessen das rege Interesse aus der Industrie: Das Fraunhofer EMI gibt an, bereits für mehrere deutsche Autohersteller („unter anderem für VW und Audi“) den Materialauswurf beim thermischen Durchgehen sowie das Propagationsverhalten in Mehrzellenaufbauten charakterisiert zu haben. „Die gewonnenen Daten machen es möglich, Zelldesigns auf Basis tatsächlich beobachteter Prozesse zu bewerten und bestehende Simulationsmodelle gezielt zu verfeinern – ein direkter Mehrwert für Produktentwicklung und Zulassungsprozesse“, heißt es.
Besonders eng ist die Bande zu VWs Batterietochter PowerCo. Im nächsten Schritt wollen das Fraunhofer EMI und PowerCo die Technologie denn auch gemeinsam in den industriellen Einsatz überführen. Das Institut bringt dazu seine Expertise in Materialforschung, Batterie-Missbrauchsprüfung und Hochgeschwindigkeits-Bildgebung ein. PowerCo trägt die Anforderungen der Serienfertigung sowie den Zugang zu realen Zelltypen bei.
Erste Ergebnisse aus der Zusammenarbeit fließen laut den Partnern bereits heute in die Entwicklung optimierter Serienzellen der PowerCo ein. Noch ist damit allerdings eine gewisse Logistik verbunden. Jedoch mit absehbarem Ende: 2028 soll eine entsprechende Röntgenanlage am PowerCo-Standort in Salzgitter installiert werden. Das System ist dabei auf verschiedene Zellformate und neue Zellchemien skalierbar – „ein entscheidender Vorteil für die Entwicklung kommender Batteriegenerationen“, so das Fraunhofer-Institut.
HW Vassen, CTO bei PowerCo, kommentiert: „Mit dem In-Situ Hochgeschwindigkeitsröntgen heben wir die Batterieforschung auf ein neues Niveau: 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.“
PowerCo wurde bekanntlich 2022 vom Volkswagen-Konzern gegründet und ist für die Entwicklung und Herstellung der Batteriezellen des Konzerns verantwortlich. Das Unternehmen sitzt in Salzgitter und baut derzeit drei Zellfabriken mit einer gemeinsamen Kapazität von bis zu 200 Gigawattstunden pro Jahr auf: in Salzgitter (Deutschland), Valencia (Spanien) und St. Thomas (Kanada).