Fraunhofer’s Röntgiersystem zeigt die inneren Abläufe in Batteriezellen auf.
Das Fraunhofer EMI hat eine spezielle Röntgentechnologie entwickelt, die dynamische Prozesse in großformatigen prismatischen Batteriezellen in Echtzeit sichtbar macht. Zusammen mit Volksvagens Batterie-Tochtergesellschaft PowerCo soll diese Technologie nun in der Industrie eingesetzt werden.
Das Fraunhofer-Institut für Hochgeschwindigkeitsdynamik, Ernst-Mach-Institut, bezeichnet seine innovative Röntgentechnologie als „ein weltweit einzigartiges Hochgeschwindigkeits-Röntgensystem“. Laut den Wissenschaftlern des Instituts zeigt sie in Bruchteilen von Sekunden, was innerhalb großformatiger Batteriezellen unter Belastung geschieht – und könnte dabei helfen, die Entwicklung sichererer Batteriegenerationen für die europäische Automobilindustrie zu beschleunigen.
Dieser Ansatz zielt darauf ab, herauszufinden, was innerhalb einer Batteriezelle geschieht, wenn sie versagt. Bisher verließen sich Hersteller von Batteriezellen sowie Fahrzeugintegratoren auf Simulationen, zerstörerische Prüfmethoden oder indirekte Messungen. Die von Fraunhofer EMI entwickelte Methode ermöglicht jedoch nun einen direkten Einblick in die arbeitende Zelle. Laut dem Team kombiniert das System Hochleistungs-Röntgentechnologie mit einer speziell entwickelten Batterietestkammer sowie umfassender Sensortechnologie zur gleichzeitigen Erfassung von Temperatur, Druck, Spannung und Gasfluss: „Mit einer Aufnahmerate von bis zu 1.000 Bildern pro Sekunde werden Prozesse wie Gasbildung, Materialverschiebungen und Rissausbreitung innerhalb der Zelle in äußerst hoher Auflösung sichtbar – Vorgänge, die bislang verborgen blieben.“
Dr. Sebastian Schopferer, Leiter für Batteriesicherheit bei Fraunhofer EMI, betont: „Unsere In-Situ-Methode ermöglicht es uns, in Bruchteilen von Sekunden – in Echtzeit und mit der höchsten Auflösung – zu beobachten, was innerhalb einer Zelle geschieht. Dies verändert grundlegend unsere Sichtweise auf die Konstruktion und Sicherheit von Batterien.“ Ein wesentlicher ingenieurtechnischer Erfolg war die Entwicklung einer Schutzkammer, die empfindliche Röntgenkomponenten zuverlässig vor den extremen Bedingungen während eines thermischen Austritts von Lithium-Ionen-Zellen schützt.
Die Relevanz dieses Ansatzes wird weiterhin durch großes Interesse der Industrie unterstrichen: Fraunhofer EMI gab an, bereits die Materialausschleudern während eines thermischen Austritts sowie das Ausbreitungsverhalten in Mehrzellenanlagen für mehrere deutsche Automobilhersteller, darunter VW und Audi, charakterisiert zu haben. Laut einer Stellungnahme: „Die erzielten Daten ermöglichen es Ingenieuren, Zellkonzepte anhand direkt beobachteter Prozesse zu bewerten und Simulationen mit größerer Präzision zu verfeinern – was einen direkten Mehrwert für die Produktentwicklung und Zertifizierungsprozesse schafft.“
Das Projekt ist eng mit PowerCo, der Batteriesparte von Volkswagen, verbunden. In der nächsten Phase möchten Fraunhofer EMI und PowerCo gemeinsam die Technologie in industrielle Anwendungen überführen. Das Institut bringt sein Know-how in den Bereichen Materialforschung, Belastungstests für Batterien sowie Hochgeschwindigkeitsbildgebung ein, während PowerCo die Anforderungen für die Serienproduktion sowie Zugang zu realen Zelltypen bereitstellt.
Die ersten Ergebnisse der Zusammenarbeit werden bereits in die Entwicklung optimierter Serienzellen bei PowerCo einfließen. Obwohl dies noch logistische Anstrengungen erfordert, ist das Ziel in Sicht: Bis 2028 soll ein entsprechendes Röntgungssystem auf dem Gelände von PowerCo in Salzgitter installiert werden. Das System ist für verschiedene Zellformate und neue Zellchemien skalierbar – „ein wichtiger Vorteil für die Entwicklung zukünftiger Batteriegenerationen“, so das Fraunhofer-Institut.
HW Vassen, CTO bei PowerCo, kommentierte: „Durch hochgeschwindiges Röntgenbildgebung vor Ort heben wir die Batterieforschung auf ein neues Niveau. Zum ersten Mal können wir die dynamischen Prozesse innerhalb der Zellen in Echtzeit und in Zeitlupe sichtbar machen. Diese beispiellose Tiefe der Erkenntnisse ermöglicht es uns, die Sicherheit und das Design von Batteriezellen sehr gezielt zu optimieren und Innovationen viel schneller in die Industrie einzuführen. Zusammen mit Fraunhofer EMI fördern wir Hochtechnologie aus Europa und stärken damit die Rolle Europas in der Batterieindustrie.“
PowerCo wurde 2022 von der Volkswagen Group gegründet und ist für die Entwicklung sowie Produktion der Batteriezellen des Konzerns verantwortlich. Das Unternehmen hat seinen Sitz in Salzgitter und baut derzeit drei Zellfabriken mit einer Gesamtkapazität von bis zu 200 Gigawattstunden pro Jahr: in Salzgitter (Deutschland), Valencia (Spanien) und St. Thomas (Kanada).