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Forschungsteam stellt zerstörungsfreien Batterietest vor
Ein internationales Forschungsteam hat eine neue Methode entwickelt, mit der sich der Zustand von Batterien zerstörungsfrei untersuchen lässt. An der Studie beteiligt war unter anderem das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt über das Helmholtz-Institut Mainz. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Chemical Science veröffentlicht.
Neben dem Helmholtz-Institut Mainz waren auch die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Berlin sowie die New York University an der Forschung beteiligt.
Batterieprobleme oft im Elektrolyt
Wiederaufladbare Batterien – sogenannte Akkumulatoren – sind heute in vielen Bereichen unverzichtbar, etwa in Smartphones, Notebooks, Elektrofahrzeugen oder bei der Speicherung erneuerbarer Energien. Häufige Ursachen für Batterieausfälle sind jedoch Veränderungen oder der Verlust des Elektrolyts, also der Flüssigkeit im Inneren der Batterie.
Der Elektrolyt ermöglicht den Transport geladener Teilchen zwischen den Elektroden. Während vieler Ladezyklen kann sich seine chemische Zusammensetzung verändern oder er kann auslaufen. In ungünstigen Fällen kann dies zu Überhitzung oder sogar Explosionen führen.
Neue Diagnose durch Kernspinresonanz
Bislang fehlten zuverlässige Methoden, um den Zustand des Elektrolyts zu prüfen, ohne das Batteriegehäuse zu öffnen. Genau hier setzt die neue Forschung an.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen eine spezielle Form der Kernspinresonanz, die sogenannte ZULF-NMR (Zero-to-Ultralow-Field Nuclear Magnetic Resonance). Dabei wird die Magnetresonanz ohne starkes äußeres Magnetfeld gemessen. Für diese Technik sind selbst Metallgehäuse von Batterien durchlässig, sodass Messungen im Inneren möglich werden.
Mit dieser Methode gelang es dem Forschungsteam erstmals, sowohl Lösungsmittel als auch Lithiumsalze in kommerziellen Batterieelektrolyten direkt durch das Batteriegehäuse hindurch nachzuweisen und zu quantifizieren.
Perspektiven für Batterieentwicklung
Die neue Technik könnte künftig genutzt werden, um Batterien während des Betriebs zu überwachen. Solche sogenannten Operando-Messungen würden helfen, Schäden frühzeitig zu erkennen und die Lebensdauer von Akkus zu erhöhen.
Darüber hinaus könnte die Methode wichtige Erkenntnisse über elektrochemische Prozesse liefern und die Entwicklung neuer Batterietechnologien unterstützen.
Das Forschungsteam plant bereits weitere Experimente, um die Messverfahren schneller, präziser und kostengünstiger zu machen. Ziel ist es, die zerstörungsfreie Batteriediagnostik künftig als ergänzendes Werkzeug in Forschung und Industrie zu etablieren.
(DARMSTADT – RED/PM/GSI)
Beitragsbild: ZULF-NMR-Messmethode Grafische Darstellung der ZULF-NMR-Messung einer Pouch-Zelle (Mitte) mithilfe von Quantensensoren wie optisch gepumpten Magnetometern (OPMs, oben) und supraleitenden Quanteninterferenzgeräten (SQUIDs, unten), welche die geringen magnetischen Felder detektieren und quantifizieren können, die von den Kernspins der Moleküle im Batterieelektrolyt erzeugt werden.
