Kritisch geschädigte Li-Ionen-Zelle im Aufbau für Synchrotron Röntgentomographische Experimente an der BAMline.
Quelle: BAM
Der Übergang zu einer emissionsfreien Energiewirtschaft hängt nicht zuletzt von der Integration effizienter elektrischer Energiespeichersysteme ab, wobei Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) eine Schlüsseltechnologie darstellen. Obwohl sie im Allgemeinen sicher sind, können Abweichungen von ihren Betriebsbestimmungen aufgrund von Herstellungsfehlern oder unsachgemäßem Gebrauch zu kritischen Sicherheitsrisiken führen, und insbesondere in einem thermischen Durchgehen (TR) enden. Interne Kurzschlüsse (ISCs) sind die Hauptauslöser für TR in LIBs. Bei Tests werden ISCs unter anderem durch das Eindringen von Nägeln ausgelöst. Die hier vorgestellte Studie wurde von Forschenden aus den Fachbereichen 3.1 und 8.5 im Journal of Power Sources veröffentlicht. Darin werden die strukturellen Veränderungen und die Mechanismen, die den durch ISC ausgelösten TR in LIBs zugrunde liegen, mit Hilfe von Synchrotron-Röntgen-Computertomographie (engl. Synchrotron X-ray Computed Tomography; SXCT) bei tiefen Temperaturen untersucht.
Dazu wurden Testzellen auf dem BAM-Stammgelände im Zelltestzentrum tiefgefroren, gezielt mit einem Nagel durchstoßen und anschließend gekühlt zur Großforschungsanlage BESSY II transportiert. Der entwickelte Tieftemperatur-Aufbau ermöglicht es einen schrittweisen Temperaturanstieg der tiefgefrorenen geschädigten Batterie zu erzielen. Dabei werden elektrische Größen (wie Spannung, Strom) überwacht und gleichzeitig hochaufgelöste SXCT-Bilder aufgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schädigung bei -80 °C nicht nur den sofortigen TR verhindert, sondern sich strukturelle und elektrische Prozesse erst während des kontrollierten Auftauens zeigen. So konnte der Beginn von TR-Prozessen an geschädigten Stellen beobachtet werden, was durch Spannungsschwankungen und strukturellen Veränderungen wie Rissbildung und Zersetzung des Kathodenmaterials belegt wird.
Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig die Verwendung von tiefen Temperaturen ist, um schnelle Prozesse wie beispielsweise den TR gezielt mit bildgebenden CT-Verfahren analysieren und modellieren zu können. Der hier entwickelte Tieftemperatur-SXCT-Aufbau bietet ein leistungsfähiges Werkzeug für die zerstörungsfreie, hochaufgelöste Untersuchung von Batteriedefekten und trägt damit zur Verbesserung der Sicherheit von LIBs bei. Die Ergebnisse dieser Studie liefern wichtige Erkenntnisse, die in die Regelwerksfortentwicklung bezüglich Transportbedingungen kritisch defekter Batteriezellen einfließen.
Visualization of stepwise electrode decomposition in a nail penetrated commercial lithium-ion cell using low-temperature synchrotron X-ray computed tomography
Author links open overlay panel
Nils Böttcher, Shahabeddin Dayani, Henning Markötter, Anita Schmidt, Julia Kowal, Yan Lu, Jonas Krug von Nidda, Giovanni Bruno
Journal of Power Sources, Volume 623, 15 December 2024