ZEISS eMobility Solutions

Qualitätssicherung für Batteriematerialien

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Lieferkettensteuerung
Lebensdauer und Alterungseffekte
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Was sind Batteriematerialien?

Das Fahrverhalten von Elektrofahrzeugen hängt mehr als alles andere vom Batteriesystem ab. Das Leistungs-/Gewichtsverhältnis und die Reichweite richten sich nach der Energiedichte der Zellen, und auch die für das Aufladen benötigte Zeit muss den Erwartungen der Kunden entsprechen. Der Akkupack ist meist die teuerste Komponente in einem Elektrofahrzeug. Die Kosten der Batteriezellen werden durch die Rohstoffe bestimmt. Deshalb gilt es bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen, ohne Abstriche bei der Sicherheit ein ausgewogenes Verhältnis von Leistung und Materialkosten zu erreichen.

Die ZEISS Industrial Microscopy Serie liefert Batterieingenieuren und Materialwissenschaftlern die nötigen Informationen, mit denen sich diese Herausforderungen bewältigen lassen.

Kathodenmaterial NCM 811

Materialentwicklung

Die Entwicklung kosten- und leistungsoptimierter Elektrofahrzeuge beginnt bei der Batterietechnik. Die Entwicklung neuer aktiver Materialien für Kathode, Anode und Separator ist der Schlüssel zur Verbesserung von Kapazität, Ladeverhalten und Lebensdauer, bei kontrollierten Kosten. Für Grafit-Anodenmaterial sind zur Bestimmung des Entladeverhaltens Porosität und eine einfache Herstellung entscheidend. Die Zugabe von Silizium zur Anode kann zwar die Energiedichte steigern, jedoch muss dann die Lebensdauer überwacht und kontrolliert werden. Elektronen- und Röntgenmikroskopielösungen von ZEISS liefern die nötigen Bildgebungs- und Analysefunktionen, um die maßgeblichen Materialeigenschaften zu untersuchen, die auch für die Weiterentwicklung der Leistung und Sicherheit von Batterien entscheidend sind.

Lieferkettensteuerung

Die Qualitätskontrolle beim Materialeingang stellt sicher, dass stets gleichbleibende, einheitliche Materialien verfügbar sind. Zentrale Aspekte der Lieferkettensteuerung reichen von der Qualifizierung der Rohstoffpulver bis zur Qualitätskontrolle der Aluminium-, Kupfer- und Separatorfolien. Mit Licht- und Konfokalmikroskopen von ZEISS lassen sich Oberflächenrauheit und Mikrostruktur von Folien untersuchen. Mit Elektronenmikroskopen lassen sich Elementzusammensetzung, Partikelgrößenverteilungen und/oder Partikelkontamination in Rohstoffpulvern kontrollieren. Vollständige Batterien lassen sich per Röntgenmikroskopie prüfen, um die Einheitlichkeit der Produkte zu gewährleisten.

ZEISS Laser-Scanning-Mikroskop (LSM), Kupferfolienkathode
Per Elektronenmikroskopie erstellte Leitfähigkeitskarte

Lebensdauer und Alterungseffekte

Die Batterieleistung verändert sich mit der Lebensdauer, und diese Alterungseffekte gilt es unbedingt zu verstehen. Unter dem Mikroskop ist zu erkennen, dass das Laden und Entladen zu chemischen und strukturellen Veränderungen führt, was wiederum die Elektrodenmaterialien beeinflusst. Das regelmäßige Ausdehnen und Zusammenziehen der Batterie führt zu Rissen, zur Ausbildung von Hohlräumen und zum Verlust der mechanischen Stabilität und elektrischen Verbindungsfähigkeit – und damit zu Kapazitätsrückgang und Zellversagen. Mit der Elektronenmikroskopie von ZEISS lassen sich Mappings der elektrischen Eigenschaften auf Mikroebene und damit „Leitfähigkeitskarten“ der aktiven Batteriematerialien erstellen.