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Batteriezellen versagen in Millisekunden. Was dabei im Inneren passiert, blieb bislang verborgen. Simulationen lieferten Näherungen, zerstörende Prüfverfahren nur Nachher-Befunde. Das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut (EMI), hat jetzt eine Hochgeschwindigkeits-Röntgenanlage entwickelt, die diesen Prozess in Echtzeit abbildet. Gemeinsam mit PowerCo, der Batterietochter des Volkswagen-Konzerns, wird die Technologie in den industriellen Betrieb überführt.
Was die Anlage leistet
Die Röntgenanlage des Fraunhofer EMI erfasst bis zu 1.000 Bilder pro Sekunde. Damit lassen sich dynamische Vorgänge im Inneren großformatiger prismatischer Lithium-Ionen-Zellen in hoher Auflösung dokumentieren. Dazu gehören Gasbildung, Materialverschiebungen und Rissbildung – Prozesse, die in Sekundenbruchteilen ablaufen.
Die Anlage ist kein reines Bildgebungssystem. Sie kombiniert die Röntgentechnik mit einer eigens konstruierten Batterietestkammer. Sensorik erfasst gleichzeitig Temperatur, Druck, Zellspannung und Gasstrom. Die Messdaten laufen parallel zur Bildaufnahme zusammen, was eine direkte Korrelation zwischen physikalischen Zustandsgrößen und dem visuell sichtbaren Versagensverhalten erlaubt.
Der Nageltest als Prüfszenario
Ein bekanntes Prüfszenario in der Batteriesicherheit ist der sogenannte Nageltest. Dabei wird ein Nagel in die Zelle getrieben, um einen internen Kurzschluss zu provozieren. Dieses Worst-Case-Szenario löst thermisches Durchgehen aus, den sogenannten Thermal Runaway. Die Röntgenanlage des Fraunhofer EMI macht sichtbar, was in den Sekundenbruchteilen nach dem Eindringen des Nagels im Zellinneren passiert.
Bisherige Verfahren konnten solche Vorgänge nur post mortem analysieren, also nach der Zerstörung der Zelle. Rückschlüsse auf den Ablauf waren damit zwangsläufig indirekt. Die neue Technik liefert eine direkte Zeitreihe des Versagensprozesses.
Industrielle Anwendung mit PowerCo
PowerCo wurde 2022 als eigenständige Gesellschaft innerhalb des Volkswagen-Konzerns gegründet. Das Unternehmen verantwortet den Aufbau von Batteriezellfabriken in Europa und Nordamerika. Die Partnerschaft mit dem Fraunhofer EMI zielt darauf ab, die Röntgentechnik aus dem Forschungslabor in den Produktionskontext zu bringen.
Für Batteriehersteller und deren Zulieferer hat das konkrete Konsequenzen. Qualitätsprüfung und Zellentwicklung können künftig auf direkte Beobachtung statt auf modellbasierte Annahmen gestützt werden. Schwachstellen in Zelldesign oder Fertigungsprozess lassen sich früher identifizieren.
Relevanz für Zellentwicklung und Qualitätssicherung
In der Batteriezellfertigung entscheiden Mikrostruktur und Materialhomogenität über Lebensdauer und Sicherheit. Abweichungen im Beschichtungsprozess oder in der Elektrodenstruktur sind mit konventionellen Prüfmethoden schwer nachzuweisen, solange die Zelle intakt bleibt. Die Echtzeit-Röntgenanalyse erlaubt es, solche Defekte unter Belastung sichtbar zu machen, bevor sie im Feld zu Ausfällen führen.
Für Produktionsverantwortliche bedeutet das: Prüfzyklen können gezielter gestaltet werden, Fehlermuster werden reproduzierbar dokumentiert, und Rückmeldungen aus der Prüfung fließen schneller in die Prozesssteuerung zurück.
Einordnung für den Mittelstand
Die Anlage ist vorerst kein Werkzeug für den breiten Mittelstand. Sie ist Forschungsinfrastruktur, die über Kooperationen mit Instituten wie dem Fraunhofer EMI zugänglich wird. Zulieferer, die prismatische Zellen oder deren Komponenten fertigen, sollten die Entwicklung dennoch beobachten.
Wenn Hersteller wie PowerCo Prüfstandards weiterentwickeln, die auf dieser Technologie basieren, werden diese Anforderungen früher oder später auch an Lieferanten weitergegeben. Wer die Methodik kennt, kann sich frühzeitig positionieren.
Fazit
Die Hochgeschwindigkeits-Röntgenanlage des Fraunhofer EMI schließt eine Lücke in der Batterieprüfung. Versagensprozesse, die bislang nur indirekt erschlossen werden konnten, werden nun direkt beobachtbar. Die Kooperation mit PowerCo zeigt, dass die Technologie den Weg in die industrielle Serienanwendung anstrebt. Für die Batterie- und Automobilindustrie bedeutet das belastbarere Prüfdaten, kürzere Entwicklungszyklen und präzisere Qualitätssicherung.
