Neuartige Methoden zur kontinuierlichen Qualitätskontrolle der Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase von Batterien
Da immer mehr Elektrofahrzeuge auf die Straße kommen, wird weiterhin der Forschung an Batterien eine große Bedeutung beigemessen. Um die Prozesse des Ladens, Entladens und Alterns von Elektrofahrzeugbatterien zu verstehen und zu verbessern, ist eine Charakterisierung der Komponenten auf der Mikroskala unter realen Bedingungen erforderlich. Die mikro- und nanoskaligen Impedanzeigenschaften von Batterien wurden bisher nicht untersucht. Das EU-finanzierte Projekt NanoBat hat diese kritische Lücke mit Hochfrequenz-Nanotechnologien im Gigahertzbereich (GHz) und mikroskaligen Impedanzmessinstrumenten für Lithium-Ionen- und sonstige Batterien geschlossen. Sie werden die Batterieproduktion und die Führungsposition Europas auf diesem wachsenden Weltmarkt unterstützen.
Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase genauer beleuchtet
Die Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase der Elektrode, die in einem komplizierten Verfahren am Ende der Produktionskette der Batteriezellen hergestellt wird, macht einen erheblichen Teil der Produktionskosten für Elektroauto-Batterien aus. Diese sehr dünne Schicht – weniger als ein Tausendstel des Durchmessers eines Haares – ist entscheidend für die Leistung, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Batteriezelle und weist sehr oft Anomalien oder Defekte auf, die schwer festzustellen sind. Laut dem NanoBat-Koordinator Ferry Kienberger von Keysight Technologies in Österreich „konzentrieren sich die elektrischen Messverfahren und -modelle von NanoBat auf das Verständnis und die Vorhersage der Zuverlässigkeit der Schicht der Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase, bevor die Elektrofahrzeugbatteriezelle in ein endgültiges Batteriemodul oder -paket eingebaut wird“.
Ein Breitbandfrequenzinstrumentarium mit hochauflösenden Verfahren unter natürlichen Betriebsbedingungen
Bei der Rastersondenmikroskopie „haben wir die Betriebsfrequenz des Rastermikrowellenmikroskops auf 20 GHz erhöht, wodurch sich die Impedanzauflösung im Nanobereich im Vergleich zu Niederfrequenzmikroskopen um das 100-fache erhöht. Die Abbildungszeit der Mikroskope konnte von etwa einer halben Stunde pro Bild auf einige Minuten verkürzt werden, wobei die laterale Auflösung beibehalten wurde“, erklärt Kienberger. „Eine neu kalibrierte Methode der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS), die bei Frequenzen von bis zu 100 kHz zehnmal empfindlicher ist, half den Forschenden, Messungen an großen Elektrofahrzeugbatteriezellen (ein Paket mit 396 Zellen) mit einer Impedanzauflösung von wenigen Mikroohm durchzuführen“, fügt Kienberger hinzu. Das EIS-System wurde messtechnisch kalibriert und in einem Ringversuch mit Erstausrüstern (OEM) verifiziert. Schließlich entwickelte das Team eine Selbstentladungsmessung für die Qualitätskontrolle von Zellen und einen neuen Hochspannungsteilertest. Ersteres verkürzt die Zelltestzeit in Elektroautobatterieproduktionslinien von einer Woche auf 20 Minuten, wodurch Materialabfall und die kostspielige Demontage von fehlerhaften Zellpaketen weniger werden.
Anspruchsvolle Interessengruppen befriedigen, Zugang beschleunigen
NanoBat hat seine auf Nanowissenschaften basierenden Impedanzmodelle und messtechnischen Testmethoden in der Pilotfertigung und in OEM-Feldtests demonstriert. „Wichtige Unternehmen im Bereich der Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge in Europa (BMW und SAFT) sind Mitglieder der Interessengruppe von NanoBat und haben in der Forschung und bei Veröffentlichungen zusammengearbeitet. Sie verlangen Datengenauigkeit, Datenzuverlässigkeit und hochgradige Unsicherheitsanalysen, die von der NanoBat-Gemeinschaft perfekt bedient werden“, so Kienberger. Der Partner Pleione Energy (Griechenland) bietet jetzt einen Pilotliniendienst für Elektrofahrzeugbatterien an, und der Partner Polen hat eine offene Webplattform für die zerstörungsfreie Werkstoffcharakterisierung eingeführt, die jeweils NanoBat-Ergebnisse integrieren. Das Eidgenössische Institut für Metrologie bietet die neue NanoBat-Rastersondenmikroskopiemethode in seinem Dienstleistungsportfolio an. Das enorme Engagement auf LinkedIn – bis zu 10 000 Aufrufe pro Beitrag – bestätigt, dass NanoBat verschiedene Forschungseinheiten wie Universitäten, kleine Unternehmen und große europäische Unternehmen bei der Elektrifizierung von Autos und Fahrzeugen vereint und den europäischen Grünen Deal und Strategien zur Klimaneutralität unterstützt.
Schlüsselbegriffe
NanoBat, Elektrofahrzeug, Elektrofahrzeugbatterie, Batteriezelle, Elektrofahrzeug, Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase, elektrochemische Impedanzspektroskopie, Rastersondenmikroskopie
