Die Nachfrage nach wiederaufladbaren Batterien, allen voran Modellen auf Lithium-Ionen-Basis (LIB), steigt weltweit rasant an. Nach Angaben des Weltwirtschaftsforums werden bis 2030 etwa 60 % des weltweiten Batteriebedarfs auf Personenkraftwagen entfallen. Zusammen mit dem kommerziellen Transport und dem Energiesektor geht eine Studie von Mordor Intelligence davon aus, dass der Weltmarkt für Lithium-Ionen-Batterien im Zeitraum von 2022 bis 2027 mit einer durchschnittlichen jährlichen Rate von rund 20 % wächst und im Jahr 2027 eine Marktgröße von 200 Mrd. US-Dollar erreicht. Den Großteil der Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien werden voraussichtlich Elektrofahrzeuge ausmachen. Frost & Sullivan prognostiziert, dass 2025 zwischen 12 und 15 Mio. Elektrofahrzeuge verkauft werden – dies erfordert eine Verzehnfachung der weltweiten Lithium-Ionen-Batteriekapazität gegenüber dem Jahr 2018.

Der Herstellungsprozess von LIB ist alles andere als trivial: Zunächst müssen einzelne Zellen hergestellt und dann zu Batteriemodulen mit Hunderten von Zellen zusammengesetzt werden. Schon der Ausfall einer einzigen Zelle kann die Demontage eines ganzen Moduls und die Entfernung der defekten Zelle(n) erforderlich machen. Unentdeckte defekte Zellen haben noch schlimmere Auswirkungen, da sie die Ausgangsleistung und die Leistung des gesamten Moduls stark beeinträchtigen oder sogar eine Gefahr darstellen können. Im April 2022 etwa haben die US-Sicherheitsbehörden eine Untersuchung der Batterien von Elektro- und Hybridfahrzeugen eingeleitet, nachdem fünf Autohersteller Rückrufe wegen möglicher Mängel herausgegeben hatten, die Brände oder das Abwürgen von Motoren verursachen könnten. Nach Angaben der National Highway Traffic Safety Administration betraf die Untersuchung mehr als 138.000 Fahrzeuge mit Batterien des südkoreanischen Herstellers LG Energy Solution, die in Fahrzeugen von General Motors, Mercedes-Benz, Hyundai, Stellantis und Volkswagen zum Einsatz kommen.

Sicherere Batterien durch Inspektion

Da es noch keine Langzeiterfahrungen mit standardisierten Fehlerdetektions- und Fehleranalysegeräten gibt, um die Risiken bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien zu verstehen, spricht vieles dafür, die Qualitätskontrollen an allen einzelnen Zellen vor und nach dem Zusammenbau zu Modulen zu verstärken.

Die erste Sichtprüfung während des Produktionsprozesses von LIB findet bei der Fertigung von Folien statt, die zur Herstellung der Elektroden (Kathoden und Anoden) verwendet werden. Die Qualität und Konsistenz der Folien und ihrer Beschichtungen sind entscheidend für die Funktion und Sicherheit der Zellen: Fremdpartikel, Unebenheiten und Ungleichmäßigkeiten, die sich mit der Zeit durch die Separatorfolie drücken oder reiben, können einen Kurzschluss verursachen, der zu einem katastrophalen Batterieausfall führen kann. In der Regel erfolgt diese Prüfung nach dem Schneiden oder Stanzen. Bei diesen Prozessen können sich Partikel auf der Oberfläche ablagern, bevor die Elektroden gerollt, gefaltet oder gestapelt werden.

Oft sind es nur ein paar dunkelgraue Defekte auf einem dunkelgrauen Hintergrund, die über die Leistung und Lebensdauer einer Batteriezelle entscheiden können. Für die Hersteller ist es wichtig, diese Defekte im Bereich von 50 µm bis hinunter zu 10 µm zu erkennen. Contact Imaging Sensoren werden häufig für eine erste ‚grobe‘ Prüfung verwendet, doch für eine detaillierte Inspektion im weiteren Verlauf vertrauen die Unternehmen auf Zeilenkameras und hochempfindliche TDI-Kameras (Time Delay & Integration), die die erforderliche Auflösung und Empfindlichkeit bieten.

Zu den innovativeren Lösungen für diese Aufgabe zählen Multi-Field-TDI-Kameras, die den zusätzlichen Vorteil bieten, dass sie gleichzeitig Licht aus drei verschiedenen Spektren und Winkeln erfassen und so mehr Bilddaten für die Fehlererkennung und -analyse liefern.

Die Linea HS 16k Multifield-TDI-Kamera ermöglicht die zeitgleiche Aufnahme von bis zu drei Bildern unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen.

© Teledyne Dalsa

Andere Arten der Bildgebung werden in verschiedenen Phasen der Batteriemontage genutzt. So messen Hochgeschwindigkeits-3D-Laser-Profiler die Form dreidimensionaler Objekte, zum Beispiel die Gleichmäßigkeit des Schweißens einer Kontaktlasche, die Verformung der Lasche und ihre Ausrichtung. Eine schlecht geschweißte Kontaktzunge kann brechen oder einen zeitweiligen Kontaktverlust verursachen.

Flächenkameras werden vor allem bei der Verpackung einzelner Zellen in größere Batterien eingesetzt, wo die Ausrichtung von Hunderten von Zellen im Gehäuse genau kontrolliert werden muss.

Blick in die ‚Black box‘

Nach dem Zusammenbau stellt die ‚Black Box‘-Natur von Batteriemodulen ein Problem dar, denn wie lässt sich ein Modul ohne Blick ins Innere prüfen? Das Battery Innovation Center (BIC) im amerikanischen Newberry hat sich mit diesem Problem beschäftigt und einen Lösungsansatz mit einer Bildgebung entwickelt, die über den visuellen Bereich hinausgeht. Das BIC konzentriert sich auf die Entwicklung, Prüfung, Validierung und Vermarktung von sicheren, zuverlässigen und leichten Batterien für kommerzielle und militärische Anwendungen. Das Verfahren umfasst Tests, bei denen die Batterien einem Worst-Case-Szenario ausgesetzt und dabei sogar zerstörerisch behandelt werden, um alle daraus resultierenden Sicherheitsprobleme zu verstehen. Um möglichst viele Daten aus diesen Tests zu gewinnen, setzt das BIC eine Hochgeschwindigkeits-Wärmebildkamera von Teledyne Flir ein und erkennt damit Details zur Wärmeentwicklung.

Mit Hilfe der Wärmebildtechnik können die Ingenieure erkennen, was außerhalb der Batterie passiert, wenn sie beschädigt ist, was im Inneren passiert und wie sich die Hitze entwickelt. Die Forscher haben sich auch mit verschiedenen Arten der Röntgenbeugung für die In-situ-Analyse befasst, darunter Röntgen- und Ultraschallbilder. Dies ermöglicht die Analyse der physikalischen Struktur sowie der Materialien der Batterie und liefert Hinweise auf physikalisch-chemische Reaktionen im Zusammenhang mit dem Betrieb und der abnehmenden Leistung einer Batterie. Eine CT-Analyse kann zwar keinen Aufschluss über die Elektrochemie innerhalb der Zelle geben, doch das mechanische Innenleben lässt sich damit durchaus aufzeigen. Eine Überhitzung der Zelle durch einen sich selbst verstärkenden, wärmeproduzierenden Prozess und ein daraus folgender Brand kann mechanische Ursachen haben, doch auch elektrochemische Prozesse können mechanische Spuren hinterlassen.

Während sich einige der erforderlichen Informationen mit schnellen 2D-Röntgensystemen erfassen lassen, sind die sichtbaren Informationen beim Einsatz dieser Technologie eingeschränkt. Mit 3D-Röntgenbildgebung ist es möglich, ein vollständiges Bild von kritischen Aspekten einer Batteriezelle und eines Moduls zu erhalten, während die Zeitraffertomographie Prozesse und Veränderungen in einer in Betrieb befindlichen Batterie während ihrer Alterung in vier Dimensionen aufzeigt.
Die industrielle Computertomographie findet zunehmend Anwendung bei der Erkennung von Defekten und internen Veränderungen während des Batterie-Lebenszyklus. Dennoch kann es schwierig sein, die aussagekräftigen Strukturen zu erkennen: Da die Materialien eine sehr ähnliche Dichte haben und oft recht dünn sind, ergibt sich häufig ein kontrastarmes Graustufenbild. Software-Tools zur Analyse und Visualisierung von CT-Daten bieten hier erweiterte Funktionen, die mit Hilfe Künstlicher Intelligenz einen fundierteren Blick ermöglichen.

Mit der Modellfamilie Z-Trak2 ermöglicht Teledyne Dalsa wirtschaftliche Lösungen für die 3D-Inline-Inspektion mit hohen Geschwindigkeiten.

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Als eine weitere vielversprechende Option für die zerstörungsfreie Prüfung hat sich die dynamische Neutronenradiographie erwiesen. Sie liefert Forschern Echtzeitdaten über das Innenleben eines Systems. Im Vergleich zu Röntgenstrahlen bietet diese Technologie einige nützliche Vorteile, da die Neutronen anders mit Elementen wechselwirken: Erstens sind Lithium und der flüssige Elektrolyt in Batterien extrem empfindlich, und Neutronenmethoden haben ein geringeres Risiko für unerwünschte Reaktionen. Zweitens ermöglicht die hohe Sichtbarkeit von Neutronen leichterer Elemente wie Wasserstoff und Lithium die direkte Beobachtung wichtiger Batterieprozesse, wie Lithiumdiffusion, Elektrolytverbrauch und Gasbildung. Aktuell arbeiten Forscher daran, die Neutronenbildgebung so zu verbessern, dass sie mit der räumlichen und zeitlichen Auflösung heutiger CT-Scans mithalten kann. Diese Bildgebungstechnologie kann dazu beitragen, die Herausforderungen der aktuellen und der nächsten Generation von Batterien in Bezug auf die chemischen Abläufe besser zu bewältigen.

Last but not least haben sich einige Forscher für eine tiefergehende Analyse der nichtstrukturellen Bedingungen innerhalb einer Batterie der Elektronenmikroskopie zugewandt. Mit ihr können die elektrochemischen Reaktionen innerhalb einer Batterie sichtbar gemacht werden. Wie bei der Neutronenmikroskopie stellt die Auflösung dabei immer noch eine Herausforderung dar, doch sind hier sehr schnelle Fortschritte zu verzeichnen.

Die Zukunft der Batteriezellenherstellung

Aus Sicht von Forschung und Entwicklung scheint die LIB-Technologie weitgehend ausgereift zu sein. Ein wichtiges Ziel bleibt die Optimierung von Produkt und Produktion. Diese Optimierung ist ein Treiber für vielversprechende Schritte in Richtung neuer chemischer Verfahren, um Batterien künftig kostengünstiger und umweltfreundlicher zu machen.

Kobalt zum Beispiel ist eines der wichtigsten Metalle in Lithium-Ionen-Batterien, da es die Lebensdauer und Energiedichte der Batterien erhöht. Kobalt ist zugleich eines der teuersten Materialien in einer Batterie. Obwohl die Batteriepreise zwischen 2010 und 2021 um 89 % gesunken sind, machen sie nach einer Studie von BloombergNEF immer noch etwa 30 % der Gesamtkosten eines Elektrofahrzeugs aus. Da die Verkäufe von Elektrofahrzeugen weltweit rapide ansteigen, wird erwartet, dass die Nachfrage nach Batterierohstoffen wie Kobalt das Angebot bald übersteigen wird. Lösungen, die die Verwendung von Kobalt und sogar von Lithium, überflüssig machen, werden daher immer attraktiver. Einige dieser Lösungen stützen sich stärker auf Nickel, was eigene Herausforderungen mit sich bringt. So hat Indonesien, das ein Viertel des weltweiten Nickelangebots kontrolliert, seine Nickelexporte Anfang 2020 deutlich reduziert. Die Unwägbarkeiten der Pandemie und der globalen Finanzmärkte führten zu einem Rückgang des Nickelpreises. Diese Entwicklung hat einige Unternehmen, die eigentlich in die Steigerung ihrer Nickelproduktion investieren wollten, dazu bewogen, ihre Investitionen zurückzuhalten. Anfang 2022 stieg der Nickelpreis wieder stark an.

Der Autor: Gerard White ist Senior Business Development Manager bei Teledyne Dalsa in Krailling.

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Künftig ist mit der Vorstellung neuer Technologien zu rechnen, mit denen einer der grundlegenden Nachteile der derzeitigen LIBs überwunden werden kann: der flüssige, fluorhaltige und leicht entflammbare Elektrolyt in einer Batterie. Dieser Inhaltsstoff ist eine große Herausforderung für Handhabung, Lagerung und Recycling von Batteriezellen. Neue Energiespeichertechnologien, die auf weniger knappen Materialien wie Magnesium basieren, sind vielversprechend. Aus Magnesiummetall hergestellte Batterien könnten eine höhere Energiedichte, größere Stabilität und geringere Kosten als die heutigen Lithium-Ionen-Zellen aufweisen. Eine andere vielversprechende Richtung ist die Entwicklung von Festkörperbatterien, die zwar wesentlich stabiler sind, aber (noch) keine wettbewerbsfähige Leistung aufweisen.