Noch ein Daniel Düsentrieb am MLZ

Kriele Patent Armin Kriele mit der Zusatzeinrichtung für Röntgendiffraktometer (im Hintergrund), die er entwickelt hat und die Messungen an Pouchzellen erheblich exakter machen. Eine solche Messung ist auf dem Bildschirm zu sehen, einige Pouchzellen liegen im Vordergrund auf dem Tisch. © w. Schürmann / TUM

Armin Kriele mit der Zusatzeinrichtung für Röntgendiffraktometer (im Hintergrund), die er entwickelt hat und die Messungen an Pouchzellen erheblich exakter machen. Eine solche Messung ist auf dem Bildschirm zu sehen, einige Pouchzellen liegen im Vordergrund auf dem Tisch. © w. Schürmann / TUM

Mit dem berühmten Erfinder von Walt Disney hat Armin Kriele vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht eine Gemeinsamkeit: Beide machen Erfindungen aus Freude an der Arbeit. Kriele verantwortet am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum das materialwissenschaftliche Labor und hat unter anderem viel mit Batterien aller Art zu tun. Für deren genaue Analyse hat er nun eine Erfindung gemacht und zum Patent angemeldet.

Lithium-Ionen-Batterien sind mit ihren verschiedenen Bauformen heute praktisch allgegenwärtig. Die Ansprüche an ihre Leistungsfähigkeit steigen allerdings, weil sie beispielsweise als Speichermedien oder für die Elektromobilität immer häufiger eingesetzt werden. Längst ist noch nicht alles über die Vorgänge im Innern, vor allem beim schnellen Laden und Entladen und bei tiefen Temperaturen bekannt, deshalb sind die Wissenschaftler auf schnelle Messverfahren angewiesen. Armin Kriele hat sich Gedanken gemacht, wie die sogenannten Pouchzellen bei verschiedensten Einsatztemperaturen zerstörungsfrei im Betrieb untersucht werden können.

Pouchzellen bestehen aus einem mit Aluminium beschichteten Folienbeutel, in dem alle nötigen Bestandteile einer Batterie wie Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt enthalten sind. Sehr nützlich für viele Anwendungen ist, dass diese Pouchzellen nur bis 5 Millimeter dick und meist flexibel sind. Die Wissenschaftler am MLZ untersuchen die Vorgänge im Innern natürlich intensiv mit Neutronen, sehr viel schneller und für viele Fragen ausreichend ist aber die in situ-Röntgenstreuung, bei der die Zellen ohne Öffnung durchstrahlt werden können. Die Röntgenstrahlung dringt in die Batterieprobe ein und wird dabei an den Kristall- oder Quasikristallstrukturen gebeugt. Durch Messung der Streuwinkel und der Intensitäten der gebeugten Strahlen werden die Positionen der Atome im Kristall als auch ihre chemischen Bindungen, ihre Fehlordnungen und weitere Informationen von allen aktiven Materialien innerhalb der Batterie in Abhängigkeit vom Ladezustand gleichzeitig bestimmt. So kann beispielsweise die Wanderung der Lithiumionen in die Anode beim Laden (Intercalation) und zurück in die Kathode beim Entladen (Deintercalation) genau beobachtet werden.

Verbesserte Analyse von Batterien
Was geschieht aber beim Laden und Entladen einer Batterie bei sehr tiefen oder sehr hohen Temperaturen? Gelten hier die gleichen Ladegeschwindigkeiten wie bei Raumtemperatur? Jeder macht im Alltag die Erfahrung, dass die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer einer Batterie bei Minusgraden erheblich nachlässt und es bei hohen Temperaturen schnell zu Defekten in der Batterie kommt. Ein Umstand, der insbesondere für die Elektromobilität von Bedeutung ist, bei der die Batterien sowohl im Sommer, als auch im Winter bestmöglich funktionieren sollten. Dafür hat Armin Kriele nun eine kombinierte Heiz- und Kühlvorrichtung entworfen, mit der gleich drei Prozesse während des Betriebs zeitgleich ablaufen können: Temperieren, Laden- und Entladen und die Röntgenmessung.

Eine besondere Herausforderung stellten die tiefen Temperaturen dar. Bekanntlich kondensiert an kalten Oberflächen Wasser aus der Umgebungsluft. Ist die Oberfläche sehr kalt, bildet sich daraus eine Eisschicht. Dies galt es bei der Temperiereinrichtung unbedingt zu verhindern, da jede zusätzliche Schicht die Messung erheblich verfälschen würde. Dies hat Armin Kriele durch ein Zweikammer-Konzept gelöst, das hermetisch abgedichtet ist und mit Inertgas gespült wird.

Dabei arbeiten die zwei Temperierkammern zusammen: Die erste gibt Wärme aus der Batteriezelle mittels Peltierelemente an das zweite äußere Gehäuse ab, das wiederum diese Wärme über Lüfter oder eine Wasserkühlung ganz abführt. Diese Art der Ableitung kann natürlich auch umgekehrt genutzt werden, um also Wärme von außen in die Batterie zu leiten und damit den Sommermodus zu simulieren. Batterien können so bei Temperaturen zwischen – 40 ºC und +80 ºC untersucht werden. Die Vorrichtung ist klein und kann an alle handelsüblichen Röntgendiffraktometer angeschlossen werden, die Industrie und Forschung zur Materialanalyse benutzen; sie ist aber auch für Synchrotron- und Neutronenmessungen geeignet. Dazu hat Armin Kriele auch eine gekoppelte Justiervorrichtung entworfen, mit deren Hilfe die Probe dreidimensional bewegt werden kann: „Damit kann man nicht nur Pouchzellen exakt und über einen großen Temperaturbereich untersuchen, sondern eigentlich alle flachen Proben, sogar dann, wenn sie uneben sind. Dann gleicht man einfach die unebenen Flächen mit Wärmeleitfolien aus.“

Das Patentamt wird voraussichtlich im Mai 2018 über die Anmeldung entscheiden. Dann kann Kriele entscheiden, wie der nächste Schritt aussehen soll. Eine Einschätzung hat er aber schon: „Einen Markt gibt es dafür, denn diese Röntgendiffraktometer stehen zu Tausenden in der Industrie und der Forschung. Und so lange die Elektromobilität ein derart intensives Forschungsfeld ist wird auch meine Erfindung äußerst nützlich sein.”