Batterieausfälle sind häufig auf den Verlust oder die chemische Zersetzung des Elektrolyts zurückzuführen. Ein internationales Forschungsteam, an dem das Helmholtz-Institut Mainz (eine Außenstelle des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt), die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Berlin und die Universität New York beteiligt waren, hat sich nun mit der Frage auseinandergesetzt, wie sich eine zerstörungsfreie Diagnose des Elektrolyts durch das Batteriegehäuse hindurch mithilfe spezieller Kernspinresonanzverfahren ermöglichen lässt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal »Chemical Science« veröffentlicht.
»Zuverlässige Methoden, wie man den Zustand des Akkus zerstörungsfrei prüfen kann, fehlen bisher, da sich die Menge und die chemische Zusammensetzung des Elektrolyts mit herkömmlichen Techniken nicht durch das Gehäuse hindurch bestimmen lassen. Genau an dieser Stelle setzt unsere Forschung an«, sagt Ko-Erstautorin Anne Fabricant, die am Helmholtz-Institut Mainz (HIM) und an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin in die Experimente involviert war. »Wir untersuchen die Batterien mithilfe der sogenannten Nullfeld- und Ultraniedrigfeld-Magnetresonanz. Für diese Technik sind die Gehäuse transparent, sodass wir ins Innere schauen können.« Bei diesem Diagnoseverfahren, das auch als ZULF-NMR (Zero-to-Ultralow-Field Nuclear Magnetic Resonance) bezeichnet wird, wird die Kernspinresonanz ohne die Einwirkung eines starken äußeren Magnetfelds gemessen.
»Wir konnten in unseren Tests die direkte Detektion und Quantifizierung sowohl der Lösungsmittel- als auch der Lithiumsalzkomponenten kommerzieller Elektrolyte durch Metallbatteriegehäuse hindurch zeigen«, erläutert Professor Dmitry Budker, der am HIM und an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz arbeitet und einer der Vorreiter des ZULF-NMR-Verfahrens ist. »Das waren realistisch verpackte Batteriezellen, auch sogenannte Pouch-Zellgeometrien, wie sie beispielsweise für Elektrofahrzeuge genutzt werden. Damit haben wir die Machbarkeit bewiesen und den Weg für eine praktische Anwendung der Technik geebnet.«
Mithilfe von ZULF-NMR könnten nach Erwartung der Projektbeteiligten in Zukunft wiederaufladbare Batterien im Rahmen von Operando-Messungen während des Betriebs auf ihre Integrität geprüft werden.
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