Technologie

Wie fit ist mein Akku?

11.05.2020 - Atommagnetometrie offenbart Ladungszustand und Defekte.

Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und des Helmholtz-Instituts Mainz HIM haben eine berührungs­freie Methode entwickelt, um den Ladungs­zustand und Defekte an Lithium-Ionen-Akkus zu messen. Dabei kommen Atom­magnetometer zum Einsatz, die das Magnetfeld um die Batterie­zellen messen. Die Arbeitsgruppe von Dmitry Budker nutzt die Atom­magnetometrie ansonsten für die Erforschung funda­mentaler Fragen der Physik wie zum Beispiel zur Suche nach neuen Teilchen.

Die Nachfrage nach wieder­aufladbaren Batterien mit hoher Kapazität nimmt zu und damit auch die Notwen­digkeit für eine sensitive, genaue Diagnostik, die den Zustand einer Batterie ermittelt. Der Erfolg vieler neuer Entwicklungen wird davon abhängen, ob die Herstellung und Verwendung von Akkus mit einer aus­reichenden Kapazität und einer langen Lebensdauer einhergehen. „Die Qualitäts­sicherung von wieder­aufladbaren Batterien ist eine wichtige Heraus­forderung. Berührungslose Methoden können hier potenziell neue Impulse setzen“, sagt Arne Wickenbrock aus der Arbeitsgruppe von Dmitry Budker. Die Arbeits­gruppe hat hier Fortschritte erzielt, indem Atom­magnetometer für die Messung zum Einsatz kamen. Die Idee dazu entstand bei einem Telefonat von Budker mit seinem Kollegen Alexej Jerschow von der New York University. Sie haben gemeinsam ein Konzept entwickelt und die Experimente in enger Kooperation der beiden Arbeitsgruppen in Mainz vorgenommen.

„Unsere Methode macht im Prinzip dasselbe wie die Magnetresonanz­tomografie, aber sie ist einfacher, weil wir Atom­magnetometer benutzen“, so Wickenbrock, der die Unter­suchungen leitete. Atom­magnetometer sind optisch gepumpte Magneto­meter, die gasförmige Atome als Sonden für ein Magnetfeld verwenden. Sie sind kommerziell erhältlich und kommen in der industriellen Anwendung und in der Grundlagen­forschung zum Einsatz. In der Arbeitsgruppe von Dmitry Budker dienen Atom­magnetometer für Grundlagen­forschung in der Physik, beispielsweise bei der Suche nach Dunkler Materie oder dem Rätsel, weshalb sich Materie und Antimaterie nach dem Urknall nicht sofort gegen­seitig ausgelöscht haben.

Im Falle der Batterie-Messungen werden die Akkus in ein Hintergrund­magnetfeld gelegt. Die Akkus verändern dieses Hintergrund­magnetfeld und die Veränderung wird mit Atom­magnetometern gemessen. „Die Veränderung gibt uns Aufschluss über den Ladungs­zustand des Akkus, also wie stark die Batterie noch geladen ist, und über eventuelle Beschädigungen“, so Wickenbrock. „Das Verfahren ist schnell und kann nach unserer Einschätzung auch gut in Produktions­abläufe integriert werden.“ Dass ein Bedarf für die Feststellung von Defekten an Batterie­zellen besteht, zeigen unter anderem immer wieder­kehrende Berichte über schwere Verletzungen bei der Explosion von E-Zigaretten oder die Beschränkungen bei der Mitnahme bestimmter Handytypen in Flugzeugen. Die diag­nostischen Möglich­keiten dieser Technik seien nach Aussage der Forscher vielver­sprechend, besonders für die Beurteilung von Batterie­zellen in der Forschung, für die Qualitäts­kontrolle oder während des laufenden Betriebs. 

JGU Mainz / JOL

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