Industrielle Computertomographie Ausfallanalyse an einem Lithium-Ionen-Akkumulator

Autor / Redakteur: Miriam Rauer, Michael Kaloudis * / Gerd Kucera

Bei einem Lithium-Ionen-Akku (Li-Ionen, Li-Ion) galt es, die Ursache für seinen Ausfall zu bestimmen. Mithilfe eines Computertomographen ließ sich das Innere des Bauteils zerstörungsfrei untersuchen.

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Bild 1: Messaufbau an der Hochschule Aschaffenburg mit dem Computertomograph exaCT S von Wenzel. Er ermöglicht den Blick in den Akku und liefert die Erkenntnis: Der Fehler kann beim Zusammenbau der Zelle vermieden werden.
Bild 1: Messaufbau an der Hochschule Aschaffenburg mit dem Computertomograph exaCT S von Wenzel. Er ermöglicht den Blick in den Akku und liefert die Erkenntnis: Der Fehler kann beim Zusammenbau der Zelle vermieden werden.
(Bild: Hochschule Aschaffenburg)

Die positive Elektrode (Kathode) des Li-Ionen-Akkumulators setzt sich aus einem Übergangsmetalloxid wie LiCoO2 zusammen, währenddessen die negative Elektrode aus Graphit besteht. Die beiden Elektroden werden durch eine elektrisch isolierende Separatorlage getrennt, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Diese dünnen Lagen der Elektroden und des Separators werden auf einen nachträglich entfernbaren Dorn aufgewickelt bis die erforderliche Dicke und somit die gewünschte Kapazität erreicht ist.

Zur Kontaktierung erfolgen eine Verbindung der einen Elektrode mit dem Deckel und eine elektrische Verschweißung der anderen Elektrode mit dem Boden der Zelle. Ein Li-Ionen enthaltender Elektrolyt füllt die Poren der Separatorlage und den verbleibenden Zwischenraum aus. Das Funktionsprinzip dieser Akkumulatoren beruht auf dem Wandern der Li-Ionen durch den Elektrolyt zwischen positiver und negativer Elektrode beim Laden und Entladen.

Der elektrische Ausfall eines Li-Ionen-Akkumulators war Ausgangspunkt für eine Untersuchung an der Hochschule Aschaffenburg (university of applied sciences). Die äußere Hülle des Akkumulators zeigte keinerlei Hinweise auf die Ausfallursache - ein Blick in das Innere war demnach nötig.

Neben zerstörenden Prüfverfahren wie beispielsweise die Metallographie wurden ebenfalls zerstörungsfreie Prüfverfahren wie die Röntgen-Radiographie und die Röntgen-Computertomographie in Betracht gezogen. Die Radiographie liefert nur Überlagerungsbilder, bei denen eine Interpretation oft aufgrund der übereinanderliegenden Strukturen des Bauteils im Röntgenbild erschwert ist, sodass letztlich die Wahl auf die Computertomographie (CT) fiel. Dieses Verfahren liefert dreidimensionale Bilder, die es ermöglichen, beliebige Bereiche des Bauteilinneren zerstörungsfrei zu prüfen.

Aufbau eines dreidimensionalen Datensatzes

Um die Defektursache zu analysieren, wurde der innere Aufbau des Plus- und Minus-Pols mithilfe der Röntgen-Computertomographie auf Fehler untersucht. Dazu wurde der 130-kV-Computertomograph Desktop-CT exaCT S des Herstellers WENZEL Volumetrik eingesetzt, dessen maximale Voxel-Auflösung bei 5 µm liegt (Anm. der Red.: Entsprechend einem Pixel im 2D-Bild ist ein Voxel ein Datenpunkt in der 3D-Grafik; Voxel bedeutet volumetric pixel).

Um den gewünschten dreidimensionalen Datensatz zu erhalten, sind verschiedene zweidimensionale Projektionsbilder nötig. Hierzu muss sich das Prüfobjekt im Verlauf der Messung um 360° in einem Röntgenkegelstrahl drehen. Während der Drehung nimmt der Detektor die Projektionsbilder auf, die sich aus der materialabhängigen Schwächung des Röntgenstrahls zusammensetzen. Aus ihnen wird nun mittels leistungsstarker Rechner ein dreidimensionaler Datensatz von Volumenelementen (Voxeln) rekonstruiert.

Nach der Messung und der Rekonstruktion des Volumens ist es möglich, jede beliebige Schicht des zu prüfenden Bauteils aus unterschiedlichen Perspektiven auf Fehler hin zu überprüfen sowie das Bauteilinnere detailliert darzustellen. Die Volumendaten werden mit der Analysesoftware visualisiert und untersucht.

Bildergalerie

Durch das rekonstruierte Volumen des Akkumulators können beliebige zweidimensionale Schnittebenen gelegt und mit einer Schrittweite im Mikrometerbereich verfahren werden, sodass eine detaillierte Analyse des Bauteilinneren möglich ist (Bild 2). Die horizontale CT-Schnittebene durch den Akkumulator zeigt die aufgewickelten Elektroden- und Separatorlagen des Akkumulators, in die das sogenannte Tabbändchen eingebracht ist (siehe Pfeil). Das Tabbändchen verbindet die positive Elektrode mit dem Deckel der Zelle.

Betrachtet man das Tabbändchen des Plus-Pols aus einer vertikalen Perspektive im CT-Volumenscan (Bild 3), finden sich in der unteren Bildhälfte die Wicklungen wieder, in die das Tabbändchen mündet, und darüber der Anschluss des Tabbändchens an den Plus-Pol. Oberhalb der Wicklungen in der ersten Wendung des Tabbändchens ist deutlich eine Unterbrechung zu sehen (Pfeil), die den elektrischen Ausfall verursacht hat. Durch Verfahren der Schnittebenen vor und hinter der schadhaften Stelle ist zu erkennen, dass sich diese an derselben Position durchgehend über alle weiteren vertikalen Schnittebenen erstreckt und demzufolge das Tabbändchen komplett gerissen ist.

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