Hochleistungs-Lithium-Ionen-Zellen, etwa in Power Tools, liefern kurzzeitig sehr hohe elektrische Ströme. Gemessen wird bislang meist nur an der Oberfläche des Zellgehäuses, wodurch die tatsächliche Temperatur im Zellinneren systematisch unterschätzt wird.

Für die Studie wurden Thermoelemente an den Elektroden einer extern gefertigten und formierten High-Power-Pouchzelle (4,5 Ah, NCM/Graphit) angebracht und die Zelle wieder verschlossen. Auf Ober- und Unterseite des Zellgehäuse wurden weitere Sensoren angebracht. Anschließend wurden die Zellen mit Entladeraten von bis zu 22 C (Verhältnis Lade/Entladestrom zur Nennkapazität) vermessen. Dies entspricht einem elektrischen Entladestrom, der die Zelle in unter drei Minuten vollständig entladen würde.

Die Messungen zeigen: Bei einer Entladerate von 20 C lag die Kerntemperatur im Mittel rund 2 °C über der an der Oberfläche gemessenen Temperatur. Die Sensorintegration selbst wirkte sich nur geringfügig auf das Zellverhalten aus, die entnehmbare Kapazität sank um etwa zwei Prozent. Die gewonnenen Temperaturdaten sind damit auf unmodifizierte Zellen übertragbar.

Computertomographie-Scans bestätigten die Sensorposition im Zentrum der Zelle und zeigten nur lokal begrenzte strukturelle Effekte. Post-mortem-Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) wiesen jedoch chemische Veränderungen in der unmittelbaren Umgebung der Einbringstelle nach, was auf Optimierungspotenziale bei der Wahl der Sensormaterialien hinweist.

»Dass wir Hochstromtests, Zellzerlegung unter Schutzgas und die anschließende Post-mortem-Analytik an einem Ort durchführen können, hat die rasche Entwicklung überhaupt erst möglich gemacht. Genau diese Kombination unter einem Dach im ›Zentrum für elektrische Energiespeicher‹ erlaubt es uns, neue Messmethoden nicht nur zu entwickeln, sondern auch sicher zu validieren.« sagt Daniel Nusko, der das Projekt am Fraunhofer ISE leitete.

Die Arbeit entstand aus einem Auftragsforschungsprojekt der Hilti AG und zeigt exemplarisch, wie industrielle Fragestellungen am Fraunhofer ISE wissenschaftlich bearbeitet werden. Die Erkenntnisse wurden zudem in einer  wissenschaftlichen Publikation veröffentlicht, sodass so dass sie der Forschungsgemeinschaft offen zur Verfügung stehen. Das Verfahren lässt sich auf weitere Zellformate und Zellchemien übertragen. Bei größeren Zellen sind noch deutlichere Temperaturunterschiede zwischen Kern und Oberfläche zu erwarten.

»Für Hilti schaffen die Arbeiten eine belastbare Datenbasis zur realen thermischen Belastung von Hochleistungszellen und erweitern damit die Grundlagen für eine sichere und optimale Auslegung des Batteriemanagementsystems«, erklärt Dr. Sebastian Maletti, Projektleiter bei der Hilti Entwicklungsgesellschaft mbH.

Möglich wurden die Messungen durch die einzigartige Infrastruktur im »Zentrum für elektrische Energiespeicher« des Fraunhofer ISE. Sicherheitskritische Tests bei hohen C-Raten und Temperaturen erfolgten in einer explosionsgeschützten, feuerfesten Prüfumgebung unter kontrollierten Bedingungen und durch qualifiziertes technisches Personal. Sensorintegration und Zellöffnung fanden in einer Argon-Glovebox statt, Analysegeräte wie REM und EDS sind am selben Standort verfügbar. Diese Kombination aus Hochstrom- und Missbrauchsprüfung, Zellhandling unter Schutzgas und fortgeschrittener Post-mortem-Analytik ist Voraussetzung, um Methoden dieser Art entwickeln und validieren zu können.