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Inspektion von Lithium-Ionen-Zellen und -Batterien

Li-Ionen-Batterien gehören zu den leistungsfähigsten Energiespeichern, die häufig in tragbaren elektronischen Geräten, stationären Stromquellen und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Hersteller und Zulieferer arbeiten hart daran, die Belastbarkeit zu erhöhen, die Lebenszyklen zu verlängern und alle Qualitätssicherungs- und Sicherheitsstandards zu erfüllen.

Das breite Portfolio von Waygate Technologies an hochwertigen Radiographiesystemen unterstützt nicht nur die Forschung und Entwicklung sowie diePost-Mortem-AnalysevondefektenLi-Ionen-Batterien zurAnalyseder Fehlerursache, sondern auch die schnelle CT-Inspektion zur sicheren Produktionskontrolle mit einerzuverlässigen Prüfung aller wichtigen Teile.

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Gespräch mit Baker Hughes zu industriellen Röntgen- und CT-Lösungen

 In diesem Podcast spricht ARC Vice President Craig Resnick mit zwei Führungskräften von Waygate Technologies, einem Tochterunternehmen von Baker Hughes: Dr. Oliver Brunke, Product Management Team Leader, und Dr. Holger Roth, Senior Training Manager. Thema des Gesprächs sind industrielle Röntgen- und Computertomographielösungen.

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Vorteile der CT-Prüfung für Lithium-Ionen-Batterien
Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie Batteriehersteller und OEMs vom Einsatz der zerstörungsfreien Batterieprüfung, wie z. B. der CT-Inspektion, profitieren können?

Inspektion von Lithium-Ionen-Batterien

Qualität und Sicherheit

Vorteile der Radiographie und 3D-Computertomographie

Herausforderungen bei Lithium-Ionen-Batterien

Designtypen und Anwendungen

Möglichkeiten und Herausforderungen für μCT als Analysewerkzeug für Lithium-Ionen-Batterien

Qualität und Sicherheit

 

Die Einführung von Lithium-Ionen-Batterien markiert die Trendwende zu mobiler, immer verfügbarer Energie im großen, sofort verfügbaren Maßstab. Mit der steigenden Nachfrage im Bereich der Automobil-, Elektronik- und sogar Flugzeugtechnik sind die Anforderungen an die Einhaltung von Sicherheitsvorschriften immer strenger geworden.

Die Einhaltung von Qualitäts- und Sicherheitsstandards ist von entscheidender Bedeutung, da ein internes Versagen der Batterien innerhalb kurzer Zeit zur Freisetzung einer großen Menge an Energie führen kann – eine Bedrohung für Mensch und Umwelt.

Bei der Durchführung der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) werden wertvolle Einblicke in die komplexe innere Struktur zum Nutzen der Fehlervermeidung und der technischen Optimierung sowie zur Erreichung vonschnelleren und sichereren Produktionsprozessen gewonnen.

Vorteile der Radiographie und 3D-Computertomographie

Mit 3D-Röntgen-Computertomographie lässt sich zerstörungsfrei der innere Aufbau von Batterien und deren Komponenten darstellen, wodurch nicht nur die Ausfallursachen aufgrund vonHerstellungsfehlern minmiert werden, sondern auch die durch elektrischen, mechanischen und thermischen Missbrauch sowie durch Degradation ausgelösten Ausfälle verstanden und deren Ursachen abgestellt werden können.

Die Ergebnisse solcher Messungen bilden die Grundlage für eine gezielte Verbesserung von Materialien und Prozessen im Bereich der Elektroden- und Zellfertigung und sind auch Teil der Entwicklung neuer Testmethoden für die Batterieindustrie.

Mit den drei verschiedenen Röntgenröhren der CT-Systeme phoenix v|tome|x der Serien m und c kann der innere Aufbau von Batterien und deren Komponenten bei unterschiedlichsten Prüfaufgaben sichtbar gemacht werden.

Insbesondere größere Zellen und ganze Batteriemodule können mit der Hochenergie-Minifokusröhre bis zu einem Energieniveau von 450kV untersucht werden.  Kleine Details können mit einer Mikrofokusröhre mit bis zu 300 kV Spannung und einer Detailerkennbarkeit bis zu 1 Mikrometer erkannt werden. Für erstklassige detaillierte Einblicke in einzelne Zellen kann eine Nanofokus-Röhre winzige Details bis zu 0,5 Mikrometer im Inneren der Zelle dreidimensional sichtbar machen.

Herausforderungen bei Lithium-Ionen-Batterien

Verarbeitungsfehler
→ Kenntnisse über qualitätsrelevante Merkmale an Lithium-Ionen-Batterien und Entwicklung von angewandten QS-Methoden durch Messung von Überhängen, Fremdmaterialeinsätzen, fehlendem Material usw.

Batterieleistung
→ Korrelation zwischen Material, Mikrostruktur und Zelldesign und Leistung von Li-Ionen-Batterien

Fehleranalyse    
→ Visualisierungsinterpretation der Post-Mortem-Inspektion von ausgefallenen Batteriezellen oder -modulen

Designtypen und Anwendungen

Zylindrische Zellen:
→ Elektrowerkzeuge
→ Konsumgüter
→ Automobile    

Pouch-Zellen (Coffee-Bag-Zellen):
→ Mobiltelefone
→ Laptops
→ Digitalkameras
→ Konsumgüter
→ Automobilindustrie (BEVs, PHEVs)
→ Batterie-basiertes Energiespeichersystem (BESS)

Prismatische Zellen:
→ Automobilindustrie (BEVs, PHEVs)
→ Batterie-basiertes Energiespeichersystem (BESS) 

Möglichkeiten und Herausforderungen für μCT als Analysewerkzeug für Lithium-Ionen-Batterien

Ebene: Batteriemodul
→ Analyse der korrekten Montage und des Aufbaus von Modulen, die aus mehreren Zellen bestehen. Auswertung der Kontaktierung und Positionierung von Teilkomponenten. (Herausforderung: Geometrien großer Proben und stark absorbierende Materialien erfordern hohe Röntgenenergien, Abwägung von Durchdringungsleistung und Auflösung)

Ebene: Einzelzelle
→ Fertigung und geometrische Imperfektionen
→ „Makroskopische“ Fertigungseffekte in Bezug auf Zuverlässigkeit, Lebensdauer
→ Reverse Engineering von Struktur- und Funktionsteilen der Zellen, um die Auswirkungen des Fertigungsprozesses zu verstehen und die Lebensdauer und Sicherheit zu verbessern. Herausforderungen sind: komplexer Materialmix, feinstrukturierte Teile

Ebene: Mikrostruktur
→ Visualisierung und Quantifizierung von Kathode / Anode (z. B. Porositätshomogenität)
→ „Mikroskopische“ Produktionseffekte
→ Qualitative und quantitative Charakterisierung von Rohpulver (z. B. Agglomeration, Fremdpartikel, Korngrößenverteilung)

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