Neue Technik zur Messung von Ladezustand, Defekten und Kapazitätsverlusten bei wiederaufladbaren Batterien mithilfe von Atommagnetometrie vorgestellt
07.05.2020
Wiederaufladbare Batterien sind das Herzstück für viele neue Technologien, für die vermehrte Nutzung erneuerbarer Energien und ganz konkret für den Antrieb von elektrischen Fahrzeugen, für Handys und Laptops. Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) haben nun eine berührungsfreie Methode vorgestellt, wie der Ladungszustand und Defekte an Lithium-Ionen-Akkus gemessen werden können. Dabei kommen Atommagnetometer zum Einsatz, die das Magnetfeld um die Batteriezellen messen. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dmitry Budker nutzt die Atommagnetometrie ansonsten für die Erforschung fundamentaler Fragen der Physik wie zum Beispiel zur Suche nach neuen Teilchen. Magnetometrie bezeichnet die Messung von Magnetfeldern. Ein einfaches Anwendungsbeispiel ist der Kompass, der anhand des Erdmagnetfelds nach Richtung Norden weist.
Berührungslose Qualitätssicherung von Batterien mittels Atommagnetometern
Die Nachfrage nach wiederaufladbaren Batterien mit hoher Kapazität nimmt zu und damit auch die Notwendigkeit für eine sensitive, genaue Diagnostik, die den Zustand einer Batterie ermittelt. Der Erfolg vieler neuer Entwicklungen wird davon abhängen, ob die Herstellung und Verwendung von Akkus mit einer ausreichenden Kapazität und einer langen Lebensdauer einhergehen. "Die Qualitätssicherung von wiederaufladbaren Batterien ist eine wichtige Herausforderung. Berührungslose Methoden können hier potenziell neue Impulse setzen", erklärt Dr. Arne Wickenbrock aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dmitry Budker am Institut für Physik der JGU und Helmholtz-Institut Mainz. Die Arbeitsgruppe hat hier einen Durchbruch erzielt, indem Atommagnetometer für die Messung zum Einsatz kamen. Die Idee dazu entstand bei einem Telefonat von Budker mit seinem Kollegen Prof. Dr. Alexej Jerschow von der New York University. Sie haben gemeinsam ein Konzept entwickelt und die Experimente in enger Kooperation der beiden Arbeitsgruppen in Mainz vorgenommen.
"Unsere Methode macht im Prinzip dasselbe wie die Magnetresonanztomografie, aber sie ist einfacher, weil wir Atommagnetometer benutzen", so Wickenbrock, der die Untersuchungen leitete. Atommagnetometer sind optisch gepumpte Magnetometer, die gasförmige Atome als Sonden für ein Magnetfeld verwenden. Sie sind kommerziell erhältlich und kommen in der industriellen Anwendung und in der Grundlagenforschung zum Einsatz. In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dmitry Budker dienen Atommagnetometer für Grundlagenforschungen in der Physik, beispielsweise bei der Suche nach Dunkler Materie oder dem Rätsel, weshalb sich Materie und Antimaterie nach dem Urknall nicht sofort gegenseitig ausgelöscht haben.
Einfache Methode ermöglicht schnelle Messungen mit hohem Durchsatz
Im Falle der Batterie-Messungen werden die Akkus in ein Hintergrundmagnetfeld gelegt. Die Akkus verändern dieses Hintergrundmagnetfeld und die Veränderung wird mit Atommagnetometern gemessen. "Die Veränderung gibt uns Aufschluss über den Ladungszustand des Akkus, also wie stark die Batterie noch geladen ist, und über eventuelle Beschädigungen", so Wickenbrock. "Das Verfahren ist schnell und kann nach unserer Einschätzung auch gut in Produktionsabläufe integriert werden." Dass ein Bedarf für die Feststellung von Defekten an Batteriezellen besteht, zeigen unter anderem immer wiederkehrende Berichte über schwere Verletzungen bei der Explosion von E-Zigaretten oder die Beschränkungen bei der Mitnahme bestimmter Handytypen in Flugzeugen.
"Die diagnostischen Möglichkeiten dieser Technik sind vielversprechend, besonders für die Beurteilung von Batteriezellen in der Forschung, für die Qualitätskontrolle oder während des laufenden Betriebs", schreiben die Autoren in einer Studie, die im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America erschienen ist. Im Sommer 2019 hatte die Arbeitsgruppe zwei Veranstaltungen zur angewandten Atomphysik mit international hochrangiger Beteiligung ausgerichtet. Die rund 200 Teilnehmerinnen und Teilnehmer befassten sich mit aktuellen Fragen der Atommagnetometrie und anderer Quantenmessungen.