Ein Forschungsteam der KAIST hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich winzige Abweichungen in der Dicke von Batterieelektroden, die zu einem thermischen Durchgehen führen können, mit einer Genauigkeit von etwa einem Zehntausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares erkennen lassen – und das, ohne die Batterie auseinanderbauen oder beschädigen zu müssen. Die Technologie soll die Sicherheit und Qualität von Batterien verbessern, indem sie unsichtbare Defekte bereits während des Herstellungsprozesses identifiziert.
Die Technologie kombiniert Terahertz-Wellen (elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen Licht und Radiowellen), um Informationen aus dem Inneren der Batterieelektroden zu gewinnen, mit einem optischen Frequenzkamm, der die Lichtfrequenz in gleichmäßige Intervalle unterteilt – ähnlich den Markierungen auf einem Lineal – und als Referenz für ultrapräzise Messungen dient.
Bestehende Prüftechnologien stießen an Grenzen
Die Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind, sind wesentliche Komponenten, durch die elektrischer Strom fließt. Schon eine geringfügige Abweichung in der Elektrodendicke kann dazu führen, dass sich der Strom beim Laden und Entladen auf bestimmte Bereiche konzentriert und dabei Wärme entsteht. Wenn sich die Wärme weiter staut, kann dies zu einem thermischen Durchgehen führen – einem Phänomen, bei dem die Innentemperatur einer Batterie rapide ansteigt und einen Brand oder eine Explosion auslösen kann. Die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Elektrodendicke ist daher bei der Batterieherstellung von entscheidender Bedeutung.
Bestehende Prüftechnologien stoßen jedoch in Produktionsumgebungen an ihre Grenzen. Die Röntgen-Computertomographie liefert zwar detaillierte Bilder der inneren Strukturen, ist jedoch aufgrund der relativ langen Prüfzeit nur schwer auf Hochgeschwindigkeits-Fertigungslinien einsetzbar. Die akustische Ultraschallmikroskopie erfordert den direkten Kontakt mit einem flüssigen Medium, während Laser-Wegsensoren zwar schnelle Messungen durchführen können, jedoch Schwierigkeiten haben, Strukturen im Inneren einer Elektrode präzise zu analysieren.
Das Forschungsteam überwand diese Einschränkungen durch die Kombination von optischen Frequenzkamm- und Terahertz-Technologien. Zunächst richteten die Forscher Terahertz-Wellen auf eine Batterieelektrode und erfassten die Signale, die bei der wiederholten Reflexion der Wellen innerhalb der Elektrode entstanden. Anschließend nutzten sie einen optischen Frequenzkamm als Referenz, um die Signale mit außergewöhnlich hoher Präzision zu analysieren und die Dicke der Elektrode zu berechnen. Dies ermöglichte Messungen der inneren Struktur der Elektrode im Nanometerbereich, ohne die Batterie zu beschädigen.
Technologie anhand von Batterieelektroden validiert
Das Herzstück der Technologie ist die Fabry-Pérot-Interferenz, ein regelmäßig angeordnetes Interferenzmuster, das entsteht, wenn Terahertz-Wellen wiederholt zwischen der Vorder- und Rückseite einer Elektrode hin- und herlaufen. Ähnlich wie bei der Längenmessung anhand der Markierungen auf einem Lineal analysierten die Forscher das Interferenzmuster präzise unter Verwendung des optischen Frequenzkamms als Referenz, um die Elektrodendicke zu bestimmen.
Dadurch gelang es dem Team, sowohl die Elektrodendicke als auch ihren komplexen Brechungsindex (eine optische Eigenschaft eines Materials, die angibt, wie stark es elektromagnetische Wellen durchlässt und absorbiert) in einer einzigen Messung zu bestimmen, ohne dass ein separater Kalibrierungsprozess erforderlich war.
Die Forscher validierten die Technologie anhand von Batterieelektroden mit einer Dicke zwischen 50 und 150 μm, was dem Durchmesser eines menschlichen Haares entspricht. Bei einer Messdauer von nur 0,2 Sekunden erkannte das System Dickendifferenzen von nur 70,1 nm in der Anode (etwa ein Vierzehnhundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares) und 465,5 Nanometern in der Kathode. Diese Messgeschwindigkeit wird als ausreichend für den Einsatz in schnell laufenden Batterie-Fertigungslinien angesehen.
Als die Messzeit auf 25,6 Sekunden erhöht wurde, verbesserte sich die Präzision weiter. Das System erkannte Unterschiede von nur 7,8 nm in der Anode (etwa ein Zehntausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares) und 25,2 nm in der Kathode. Dies entspricht einer bis zu 100-fachen Verbesserung der Genauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Zeitbereichs-Analysemethoden und ermöglicht die Erkennung von Dickenabweichungen, die mit bloßem Auge völlig unsichtbar sind.
Die Technologie beschränkt sich nicht auf die Dickenmessung an einem einzelnen Punkt. Sie kann eine dreidimensionale Dickenkarte über die gesamte Elektrode erstellen und allmähliche Dickenabweichungen während der Produktion in Echtzeit verfolgen. Die Forscher bestätigten zudem, dass das System eine um etwa 45 Grad geneigte Elektrode präzise messen kann, was das Potenzial für den Einsatz in schnell laufenden, realen Batteriefertigungslinien demonstriert.
Auch Potenzial für Festkörperbatterien
Die Studie ist von Bedeutung, da sie eine neue Prüftechnologie vorstellt, mit der unsichtbare mikroskopische Defekte während der Produktion identifiziert werden können, ohne dass Batterien zerlegt oder beschädigt werden müssen. Neben Lithium-Ionen-Batterien soll die Technologie als wichtiges Werkzeug zur Qualitätskontrolle bei der Herstellung von All-Solid-State-Batterien der nächsten Generation dienen, die feste Elektrolyte anstelle von flüssigen Elektrolyten verwenden. Durch die Früherkennung von Defekten könnte die Technologie die Sicherheit und Qualität der Batterien verbessern und gleichzeitig stabilere Fertigungsprozesse ermöglichen.
„Bei dieser Technologie handelt es sich um eine integrierte Messplattform, die gleichzeitig die Elektrodendicke und die Materialeigenschaften messen kann, ohne dass ein separater Kalibrierungsprozess erforderlich ist“, sagte Professor Kim. „Wir gehen davon aus, dass sie zu einer Schlüsseltechnologie für die Echtzeit-Qualitätskontrolle von Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation und All-Solid-State-Batterien werden wird.“
