Zerstörungsfreier Batterietest zeigt, was in Akkus passiert

Forscher blicken ins Innenleben von Akkus, ohne sie zu zerstören – neuer Test soll Probleme früh erkennen

Neuer Test blickt durch das Metallgehäuse von Akkus und macht Probleme im Elektrolyten früh sichtbar – ohne die Zelle zu öffnen.

Ob Handy, Notebook, E-Auto oder Heimspeicher: Akkus müssen heute viel leisten und möglichst lange durchhalten. Umsogrößer ist das Problem, wenn sie im Inneren altern, an Leistung verlieren oder im schlimmsten Fall instabil werden. Für Hersteller, Werkstätten und Kunden ist das teuer. Bei großen Batteriesystemen kann es zudem zum Sicherheitsrisiko werden. Deshalb ist ein neuer Ansatz so interessant: ein Batterietest, der ins Innere schaut, ohne die Zelle zu öffnen und dabei selbst zu beschädigen.

Im Inneren des Akkus sitzt ein besonders empfindlicher Bestandteil: der Elektrolyt. Diese Flüssigkeit sorgt dafür, dass geladene Teilchen zwischen den Bauteilen wandern können. Verändert sie sich, lässt die Leistung nach. Im schlimmsten Fall drohen Überhitzung oder Schäden. Bislang blieb dieser heikle Bereich ohne Öffnung kaum überprüfbar.

Zerstörungsfreier Batterietest macht Elektrolyt erstmals sichtbar

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hat dafür nun eine Lösung vorgestellt. In der Fachzeitschrift Chemical Science beschreiben die Wissenschaftler eine Methode, die diesen empfindlichen Teil sichtbar macht.

Kern der Technik ist eine spezielle Form der Magnetresonanz bei extrem niedrigen Frequenzen. Diese sogenannte ZULF-NMR arbeitet nicht wie klassische Verfahren mit starken Magnetfeldern, sondern mit deutlich schwächeren Signalen. Der Vorteil liegt in der Physik: Metallgehäuse verlieren dabei ihre abschirmende Wirkung.

„Zuverlässige Methoden, wie man den Zustand des Akkus zerstörungsfrei prüfen kann, fehlen bisher“, sagt Studienautorin Anne Fabricant. „Für diese Technik sind die Gehäuse transparent, sodass wir ins Innere schauen können.“

Messung funktioniert durch Metallgehäuse hindurch

Im Labor gelang es, den Elektrolyten direkt durch das Gehäuse zu messen. Selbst Aluminiumhüllen von etwa einem Millimeter Dicke, wie sie in handelsüblichen Batterien zum Einsatz kommen, stellten kein Hindernis dar.

Die Messungen waren erstaunlich präzise. Die Forscher konnten sowohl das Lösungsmittel als auch das Lithiumsalz im Elektrolyten erfassen. Beide Komponenten bestimmen maßgeblich, wie gut ein Akku funktioniert.

„Wir konnten in unseren Tests die direkte Detektion und Quantifizierung sowohl der Lösungsmittel- als auch der Lithiumsalzkomponenten kommerzieller Elektrolyte durch Metallbatteriegehäuse hindurch zeigen“, erklärt Dmitry Budker, der auch an der Studie beteiligt war. „Das waren realistisch verpackte Batteriezellen.“

Am Helmholtz-Institut Mainz kommt ein spezieller Messaufbau zum Einsatz, der den Elektrolyten in Batterien zerstörungsfrei untersucht und so Einblicke ins Innere ermöglicht. © A. Fabricant

Kleine Mengen reichen aus – Methode zeigt hohe Empfindlichkeit

Besonders bemerkenswert ist die Empfindlichkeit der Technik. Schon sehr kleine Mengen des Elektrolyten lassen sich nachweisen. In den Experimenten arbeiteten die Wissenschaftler mit wenigen Mikrolitern Flüssigkeit.

Wichtige Ergebnisse aus der Studie im Überblick:

Elektrolyt konnte durch etwa 1 Millimeter dicke Aluminiumgehäuse gemessen werden
Bereits rund 80 Mikroliter in Knopfzellen reichten für ein klares Signal
In Mini-Pouch-Zellen waren sogar 38 Mikroliter noch nachweisbar
Größere Zellen enthielten etwa 3 Milliliter Elektrolyt bei rund 177 mAh Kapazität
Gemessen wurden Lösungsmittel und Lithiumsalz LiPF6
Die Konzentrationen lagen zwischen 0,5 und 2,5 molar
Die Messwerte wichen meist weniger als 10 Prozent von den tatsächlichen Werten ab

Diese Zahlen zeigen: Die Methode erkennt nicht nur, ob etwas vorhanden ist, sondern kann auch Mengen bestimmen.

Zerstörungsfreier Batterietest könnte Probleme früh erkennen

Der praktische Wert liegt auf der Hand: Verändert sich der Elektrolyt, ist das oft ein frühes Warnsignal. Die Batterie altert, verliert an Stabilität oder steuert auf einen Defekt zu. Bislang blieb das meist lange verborgen. Mit dem neuen Verfahren könnten solche Veränderungen früher sichtbar werden.

Das ist vor allem bei teuren Batteriesystemen wichtig. In Elektroautos und großen stationären Speichern hängt viel davon ab, wie gesund die einzelnen Zellen noch sind. Wer Probleme früher erkennt, kann Ausfälle eher vermeiden und Wartung gezielter planen.

Auch beim Thema Sicherheit bringt das Vorteile. Undichte oder instabile Akkus könnten früher auffallen, bevor daraus ein ernsteres Problem wird.

Forscher wollen Akkus künftig sogar im Betrieb prüfen

Die Perspektive reicht deutlich weiter. In Zukunft könnten Batterien sogar während des Betriebs untersucht werden. Fachleute sprechen von sogenannten Operando-Messungen. Dabei läuft der Akku normal, während sein Zustand überwacht wird.

„Die Fähigkeit, Elektrolytvolumina und -zusammensetzungen zerstörungsfrei zu charakterisieren, unterstützt ein optimales Batteriedesign“, sagt Alexej Jerschow von der New York University. Zudem könne die Methode helfen, die Qualität über den gesamten Lebenszyklus einer Batterie zu kontrollieren.

Auch technisch sehen die Forscher noch Spielraum. Stärkere Magnetfelder könnten die Messung deutlich beschleunigen. In der Studie ist von einem möglichen Faktor 20 beim Signal und bis zu 400 bei der Geschwindigkeit die Rede.

So vielversprechend die Ergebnisse sind, im Alltag kommt die Methode noch nicht zum Einsatz. Die Messungen dauern bisher lange. Für ein stabiles Signal werden viele Einzelmessungen kombiniert.

Kurz zusammengefasst:

Forscher können den Elektrolyten in Akkus erstmals durch das Metallgehäuse messen, ohne die Batterie zu öffnen. Das ist wichtig, weil dieser flüssige Bestandteil oft früh verrät, ob ein Akku altert oder Schaden nimmt.
Die Methode funktionierte in der Studie auch bei realistisch verpackten Zellen und erkannte sogar sehr kleine Elektrolytmengen. Damit lässt sich nicht nur sehen, dass etwas im Akku passiert, sondern auch was sich chemisch verändert.
Für E-Autos, Heimspeicher und andere teure Batteriesysteme wäre das später ein großer Vorteil: Probleme könnten früher auffallen, bevor Ausfälle oder Sicherheitsrisiken entstehen.

Übrigens: Während Forscher nun sogar ins Innere geschlossener Akkus blicken können, arbeitet ein Team aus China bereits an einer Batterie, die mit wasserbasiertem Elektrolyten nicht brennbar ist und mehr als 120.000 Ladezyklen schaffen soll – mehr dazu in unserem Artikel.