„in operando“ Untersuchungen der Materialermüdung in kommerziellen Batterie-Typen durch Neutronentomographie und –diffraktion

Prof. Dr. Helmut Ehrenberg, Materialwissenschaft Darmstadt,
Umicore AG & Co. KG Hanau
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Lithiumionenbatterien sind aktuell die wiederaufladbaren Energiespeichersysteme für mobile Anwendungen mit den höchsten spezifischen Kapazitäten und Leistungsdichten. Der serienmäßige Einsatz in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb steht unmittelbar bevor. Auch sind sie die aussichtsreichsten Kandidaten als Energiequelle für Elektrofahrzeuge. Für einen Durchbruch dieser emissionsfreien und damit erheblich umweltfreundlicheren Antriebstechnologie sind allerdings Batterien mit noch höherer Energiedichte erforderlich. Diese Anforderung führt zwangsläufig zu einer noch weiter zunehmenden Bedeutung der Sicherheitsaspekte beim Betrieb. Hierzu ist es unbedingt erforderlich, die in einer Batterie ablaufenden Degradationsmechanismen weitestgehend zu verstehen und die verwendeten Materialien zu optimieren. Dieser Ansatz wird bereits intensiv innerhalb des SFBs 595 anhand von Testzellen mit in den Projekten selbst hergestellten Materialien verfolgt und soll nun im Einklang mit der Konzeption des SFBs 595 auf reale kommerzielle Bauteile mit industriell hergestellten und in den fertigen Produkten eingesetzten Materialien erweitert werden. Da belastbare Informationen über die innerhalb einer Batterie ablaufenden Prozesse nur unter realen Betriebsbedingungen erhalten werden können, müssen innerhalb des Transferprojekts die bisher verwendeten Methoden derart weiterentwickelt werden, dass kommerziell erhältliche Batterie-Typen im Realbetrieb durch so genannte „in operando“ Verfahren untersucht werden können. Dies gelingt durch eine Kombination von Neutronendiffraktion und Neutronentomographie, wie bereits in Vorarbeiten demonstriert werden konnte. Beide Methoden liefern Aussagen auf unterschiedlichen Längenskalen und sind somit komplementär. Die erwarteten Ergebnisse werden sowohl dazu beitragen, die Ermüdungserscheinungen bei hohen Zyklenzahlen weiter zu beleuchten als auch einen erheblichen Beitrag zu einer verbesserten Betriebssicherheit liefern, da diese neuen Untersuchungsmethoden erstmals erlauben, Schädigungsmechanismen im ermüdeten oder überlasteten Zustand direkt von Anfang an als auch während fortschreitender Schädigung zu verfolgen. Hierdurch können unmittelbar Ansätze für verbesserte Materialkonzepte abgeleitet werden.