Fraunhofer EMI und PowerCo entwickeln Röntgentechnik für sicherere Batteriezellen

Das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut (EMI), und der Volkswagen-Batteriezellhersteller PowerCo wollen die Entwicklung sichererer Batteriezellen mit einer neuen Hochgeschwindigkeits-Röntgentechnologie vorantreiben. Das Verfahren ermöglicht es, dynamische Prozesse im Inneren großformatiger prismatischer Batteriezellen während hoher Belastungen in Echtzeit zu beobachten. Bis 2028 soll die Technologie in den industriellen Einsatz bei PowerCo überführt werden.

Bis zu 1.000 Röntgenbilder pro Sekunde zeigen Vorgänge in der Zelle

Bislang stützen sich Zellhersteller und Fahrzeugintegratoren bei der Untersuchung von Vorgängen im Inneren einer versagenden Batteriezelle unter anderem auf Simulationen, zerstörende Prüfverfahren und indirekte Messungen. Die vom Fraunhofer EMI entwickelte Anlage soll nun einen direkten Blick in die Zelle während des Belastungsfalls ermöglichen. Auch andere Ansätze der Batteriezellsteuerung und Hochvolttechnologie zielen darauf, Batteriesysteme gezielter zu analysieren und weiterzuentwickeln.

Dafür kombiniert das System Hochleistungs-Röntgentechnik mit einer speziell entwickelten Batterietestkammer und zusätzlicher Sensorik. Neben den Röntgenaufnahmen werden gleichzeitig Temperatur, Druck, Spannung und Gasstrom erfasst. Mit bis zu 1.000 Bildern pro Sekunde können unter anderem Gasbildung, Materialverschiebungen und Rissbildung innerhalb der Zelle beobachtet werden.

Eine besondere Herausforderung stellte dabei die Testumgebung dar. Das Fraunhofer EMI entwickelte eine Schutzkammer, die die empfindlichen Komponenten der Röntgenanlage vor den extremen Bedingungen beim thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Zellen schützen soll.

Messdaten sollen Zell- und Simulationsentwicklung verbessern

Die Technologie wurde bereits bei Untersuchungen für mehrere deutsche Automobilhersteller eingesetzt. Unter anderem hat das Fraunhofer EMI für Volkswagen und Audi den Materialauswurf beim thermischen Durchgehen sowie das Propagationsverhalten in Mehrzellenaufbauten untersucht.

Die dabei gewonnenen Daten sollen es ermöglichen, Zelldesigns anhand tatsächlich beobachteter Vorgänge zu bewerten und bestehende Simulationsmodelle gezielt weiterzuentwickeln. Damit können die Erkenntnisse sowohl in die Produktentwicklung als auch in Zulassungsprozesse einfließen. Weitere Entwicklungen wie die Multilevel-Batterietechnologie von PULSETRAIN und Yazaki zeigen ebenfalls, wie gezielte Zellsteuerung Sicherheit und Leistungsfähigkeit von Batteriesystemen adressieren soll.

„Mit unserem In-situ-Verfahren können wir nachvollziehen, was in Sekundenbruchteilen in einer Zelle passiert – in Echtzeit, mit höchster Auflösung“, erklärt Dr. Sebastian Schopferer, Leiter Batteriesicherheit am Fraunhofer EMI.

Industrieller Einsatz bei PowerCo ab 2028 geplant

Gemeinsam mit PowerCo soll die Röntgentechnologie nun für den industriellen Einsatz weiterentwickelt werden. Das Fraunhofer EMI bringt dafür seine Kompetenzen in Materialforschung, Batterie-Missbrauchsprüfung und Hochgeschwindigkeitsbildgebung ein. PowerCo steuert Anforderungen aus der Serienfertigung sowie reale Zelltypen bei.

Erste Erkenntnisse aus der Zusammenarbeit fließen nach Angaben der Partner bereits in die Entwicklung optimierter PowerCo-Serienzellen ein. 2028 soll die Anlage am PowerCo-Standort in Salzgitter installiert werden.

Das System ist modular aufgebaut und kann dadurch an unterschiedliche Zellformate sowie neue Zellchemien angepasst werden. Damit soll die Technologie auch für die Entwicklung künftiger Batteriegenerationen eingesetzt werden können.

„Erstmals können wir die dynamischen Prozesse im Inneren von Zellen in Echtzeit und Zeitlupe sichtbar machen“, sagt PowerCo-CTO HW Vassen. Die dadurch gewonnenen Einblicke sollen helfen, Sicherheit und Design von Batteriezellen gezielter zu optimieren und neue Entwicklungen schneller in die industrielle Anwendung zu übertragen.