Industrielle Messtechnik Ausfallursache: Wenn der Lithium-Ionen-Akku streikt

Autor / Redakteur: Miriam Rauer und Prof. Dr. Michael Kaloudis / Sariana Kunze

Wie stellt man eigentlich die Ausfallursache bei einem Lithium-Ionen-Akku fest, wenn nur ein Blick ins Innere Aufschluss über die Ursache geben kann? An der Hochschule Aschaffenburg wurden mit Hilfe von industrieller Computertomographie streikende Lithium-Ionen-Akkus zerstörungsfrei analysiert. Denn Fehler können bereits beim Zusammenbau der Zelle vermieden werden.

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Horizontale Computertomograph-Schnittebene des Lithium-Ionen-Akkus mit Kennzeichnung des Tabbändchens.
Horizontale Computertomograph-Schnittebene des Lithium-Ionen-Akkus mit Kennzeichnung des Tabbändchens.
(Wenzel)

Der elektrische Ausfall eines Lithium-Ionen-Akkus war Ausgangspunkt für die Untersuchung der Hochschule Aschaffenburg. Die äußere Hülle des Akkumulators zeigte keinerlei Hinweise auf die Ausfallursache - ein Blick in das Innere war demnach nötig. Neben zerstörenden Prüfverfahren wie beispielsweise die Metallographie wurden ebenfalls zerstörungsfreie Prüfverfahren wie die Röntgen-Radiographie und die Röntgen-Computertomographie in Betracht gezogen. Die Radiographie liefert nur Überlagerungsbilder, bei denen eine Interpretation oft aufgrund der übereinanderliegenden Strukturen des Bauteils im Röntgenbild erschwert ist, so dass letztlich die Wahl auf die Computertomographie (CT) fiel. Dieses Verfahren liefert dreidimensionale Bilder, die es ermöglichen, beliebige Bereiche des Bauteilinneren zerstörungsfrei zu prüfen.

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3D-Messung des Lithium-Ionen-Akkus um 360 Grad

Um die Defektursache zu analysieren, wurde der innere Aufbau des Plus- und Minus-Pols mithilfe der Röntgen-Computertomographie auf Fehler untersucht. Dazu wurde der 130kV-Computertomograph Desktop-CT exaCT S von Wenzel Volumetrik eingesetzt, dessen maximale Volumenelementauflösung bei 5 µm liegt. Um den gewünschten dreidimensionalen Datensatz zu erhalten, sind verschiedene zweidimensionale Projektionsbilder nötig. Hierzu muss sich das Prüfobjekt im Verlauf der Messung um 360° in einem Röntgenkegelstrahl drehen. Während der Drehung nimmt der Detektor die Projektionsbilder auf, die sich aus der materialabhängigen Schwächung des Röntgenstrahls zusammensetzen. Aus ihnen wird nun mittels leistungsstarker Rechner ein dreidimensionaler Datensatz von Volumenelementen (Voxeln) rekonstruiert.

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Lithium-Ionen-Akkumulator

Die positive Elektrode (Kathode) des Lithium-Ionen-Akkumulators setzt sich aus einem Übergangsmetalloxid wie LiCoO2 zusammen, währenddessen die negative Elektrode aus Graphit besteht. Die beiden Elektroden werden durch eine elektrisch isolierende Separatorlage getrennt, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Diese dünnen Lagen der Elektroden und des Separators werden auf einen nachträglich entfernbaren Dorn aufgewickelt bis die erforderliche Dicke und somit die gewünschte Kapazität erreicht ist. Zur Kontaktierung erfolgen eine Verbindung der einen Elektrode mit dem Deckel und eine elektrische Verschweißung der anderen Elektrode mit dem Boden der Zelle. Ein Lithium-Ionen enthaltender Elektrolyt füllt die Poren der Separatorlage und den verbleibenden Zwischenraum aus. Das Funktionsprinzip dieser Akkumulatoren beruht auf dem Wandern der Lithium-Ionen durch den Elektrolyt zwischen positiver und negativer Elektrode beim Laden und Entladen.

Nach der Messung und der Rekonstruktion des Volumens ist es möglich, jede beliebige Schicht des zu prüfenden Bauteils aus unterschiedlichen Perspektiven auf Fehler hin zu überprüfen sowie das Bauteilinnere detailliert darzustellen. Die Volumendaten werden mit der Analysesoftware visualisiert und analysiert. Durch das rekonstruierte Volumen des Akkumulators können beliebige zweidimensionale Schnittebenen gelegt und mit einer Schrittweite im Mikrometerbereich verfahren werden, sodass eine detaillierte Analyse des Bauteilinneren möglich ist. Die horizontale CT-Schnittebene durch den Akkumulator zeigt die aufgewickelten Elektroden- und Separatorlagen des Akkumulators, in die das sogenannte Tabbändchen eingebracht ist. Das Tabbändchen verbindet die positive Elektrode mit dem Deckel der Zelle. Betrachtet man das Tabbändchen des Plus-Pols aus einer vertikalen Perspektive im CT-Volumenscan, finden sich in der unteren Bildhälfte die Wicklungen wieder, in die das Tabbändchen mündet, und darüber der Anschluss des Tabbändchens an den Plus-Pol. Oberhalb der Wicklungen in der ersten Wendung des Tabbändchens ist deutlich eine Unterbrechung zu erkennen, die den elektrischen Ausfall verursacht hat. Durch Verfahren der Schnittebenen vor und hinter der schadhaften Stelle ist zu erkennen, dass sich diese an derselben Position durchgehend über alle weiteren vertikalen Schnittebenen erstreckt und demzufolge das Tabbändchen komplett gerissen war. Die Analysesoftware ermöglicht mit Clippingboxen das Wegschneiden von Volumenteilen des Akkumulators. So konnte das Tabbändchen durch gezieltes Ausblenden von Bereichen freigelegt werden, sodass der durchgehende Riss im CT-Volumenscan sehr gut zu erkennen war.

Elektrischer Ausfall ist vorprogrammiert

Der direkte Vergleich der vertikalen CT-Schnittebenen des elektrisch ausgefallenen Akkumulators mit einem elektrisch funktionsfähigen baugleichen Akkumulator zeigte erwartungsgemäß ein intaktes Tabbändchen beim funktionstüchtigen Akkumulator. Ohne das Vergleichsobjekt wäre die Interpretation der Fehlstelle kritisch zu hinterfragen, da es in CT-Bildern oftmals zu Artefakten kommt. Artefakte sind Abweichungen von der Wirklichkeit im CT-Bild, die künstlich entstanden sind. So wäre an dieser Stelle ebenfalls in Betracht zu ziehen, dass es sich bei dem Riss um keinen wirklichen Spalt im Tabbändchen handelt, sondern dieser durch einen Schatten des stärker absorbierenden Mantels des Akkumulators verursacht wurde.

Aufgrund der durchgehenden Unterbrechung des Tabbändchens besteht kein elektrischer Kontakt zwischen der positiven Elektrode und dem Zelldeckel, sodass der Akkumulator elektrisch ausfällt. Um den Fehler künftig zu vermeiden, muss bereits bei der Zellherstellung darauf geachtet werden, dass es zu keiner übermäßigen Beanspruchung und damit Beschädigung des 150 µm dicken Tabbändchens beim Zusammenbau der Zelle kommt. Dass der Riss im Tabbändchen von einem äußeren Einfluss, etwa eine mechanische Belastung der Zelle, herrührt, ist kaum in Erwägung zu ziehen, da keine äußere Krafteinwirkung in Form einer Deformation sichtbar war. Weitere denkbare Anwendungen sind beispielsweise die Darstellung der inneren Strukturen als Teil von Designprüfungen, Zellevaluierungen oder die Detektion möglicher Fremdkörper innerhalb der Zellen.

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