Neue Methode für zerstörungsfreien Batterietest

Wiederaufladbare Batterien sind heute allgegenwärtig und kommen in tragbaren Elektronikgeräten, Elektrofahrzeugen sowie bei der Speicherung erneuerbarer Energien zum Einsatz. Batterieausfälle werden häufig durch den Verlust oder die chemische Zersetzung des Elektrolyts verursacht. Deshalb hat sich ein internationales Forschungsteam – bestehend aus Mitgliedern des Helmholtz-Instituts Mainz, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin sowie der Universität New York – dieser Problematik gewidmet. Die Forschenden untersuchten dabei, wie spezielle Kernspinresonanzverfahren eine zerstörungsfreie Diagnose des Elektrolyts direkt durch das Batteriegehäuse hindurch ermöglichen können.

Der Akkumulator: Funktionsweise und Herausforderungen der Alterung

Eine wiederaufladbare Batterie – landläufig auch Akkumulator oder kurz Akku genannt – speichert elektrische Energie in chemischer Form. In ihrem Inneren befinden sich zwei metallische Elektroden sowie ein Medium, das als Elektrolyt bezeichnet wird. Während des Entladens laufen chemische Reaktionen ab, bei denen geladene Teilchen intern wandern, während Elektronen über den äußeren Stromkreis fließen und so elektrische Energie bereitstellen. Dieser Vorgang lässt sich beim Akku umkehren, indem das Aufladen die chemischen Prozesse zurücksetzt und den Energiespeicher erneut nutzbar macht. Über viele Ladezyklen hinweg verändert sich jedoch der Elektrolyt, altert oder kann auslaufen, was im ungünstigsten Fall zur Unbenutzbarkeit oder gar zu Gefährdungen durch Hitzeentwicklung oder Explosion führt.

ZULF-NMR: Ein gläserner Blick durch das Batteriegehäuse

Bisher fehlen zuverlässige Methoden, um den Zustand eines Akkumulators zerstörungsfrei zu prüfen, da herkömmliche Techniken die Menge und chemische Zusammensetzung des Elektrolyts nicht durch das Gehäuse hindurch bestimmen können. „Genau an dieser Stelle setzt unsere Forschung an“, erklärt Dr. Anne Fabricant. Sie führt weiter aus: „Wir untersuchen die Batterien mithilfe der sogenannten Nullfeld- und Ultraniedrigfeld-Magnetresonanz. Für diese Technik sind die Gehäuse transparent, so dass wir ins Innere schauen können.“ Bei diesem als ZULF-NMR (zero-to-ultralow-field nuclear magnetic resonance) bezeichneten Diagnoseverfahren wird die Kernspinresonanz ohne die Einwirkung eines starken äußeren Magnetfelds präzise gemessen.

„Wir konnten in unseren Tests die direkte Detektion und Quantifizierung sowohl der Lösungsmittel- als auch der Lithiumsalzkomponenten kommerzieller Elektrolyte durch Metallbatteriegehäuse hindurch zeigen“, erläutert Professor Dmitry Budker. „Das waren realistisch verpackte Batteriezellen, auch sogenannte Pouch-Zellgeometrien, wie sie beispielsweise für Elektrofahrzeuge genutzt werden. Damit haben wir die Machbarkeit bewiesen und den Weg für eine praktische Anwendung der Technik geebnet.“

Professor Dmitry Budker erläutert den Durchbruch der Testreihen: „Wir konnten in unseren Tests die direkte Detektion und Quantifizierung sowohl der Lösungsmittel- als auch der Lithiumsalzkomponenten kommerzieller Elektrolyte durch Metallbatteriegehäuse hindurch zeigen“. Dabei handelte es sich um realistisch verpackte Batteriezellen, einschließlich sogenannter Pouch-Zellgeometrien, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. „Damit haben wir die Machbarkeit bewiesen und den Weg für eine praktische Anwendung der Technik geebnet“, fügt Budker hinzu.

Lebenszyklus-Kontrolle: Die Zukunft des optimierten Batteriedesigns

Laut Professor Alexej Jerschow bietet die zerstörungsfreie Charakterisierung von Elektrolytvolumina und deren Zusammensetzung entscheidende Vorteile. „Die Fähigkeit, Elektrolytvolumina und -zusammensetzungen zerstörungsfrei zu charakterisieren, unterstützt ein optimales Batteriedesign und dient als wichtiges Instrument zur Qualitätskontrolle während des gesamten Lebenszyklus einer Zelle“. Das Forschungsteam um Professor Dmitry Budker plant bereits weitere Experimente zur Optimierung der Diagnostik. „Wir haben noch viele Ideen, wie wir die Detektion genauer und schneller machen können, wie wir größere Batterien untersuchen können oder auch wie das Verfahren kosteneffizienter gestaltet werden kann“, erläutert Budker. Er zeigt sich überzeugt, dass die Technik langfristig neben anderen, invasiveren Diagnosemethoden einen festen Platz finden wird.

Quelle

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH (03/2026)