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Wiederaufladbare Batterien sind überall – von tragbaren Elektronikgeräten über Elektrofahrzeuge bis hin zur Speicherung erneuerbarer Energien. Batterieausfälle sind häufig auf den Verlust oder die chemische Zersetzung des Elektrolyts zurückzuführen. Ein internationales Forschungsteam hat sich nun mit der Frage auseinandergesetzt, wie man eine zerstörungsfreie Diagnose des Elektrolyts durch das Batteriegehäuse hindurch mithilfe spezieller Kernspinresonanzverfahren ermöglichen kann.
Wiederaufladbare Batterien sind überall – von tragbaren Elektronikgeräten über Elektrofahrzeuge bis hin zur Speicherung erneuerbarer Energien. Batterieausfälle sind häufig auf den Verlust oder die chemische Zersetzung des Elektrolyts zurückzuführen. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Helmholtz-Instituts Mainz, einer Außenstelle des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin sowie der Universität New York hat sich nun mit der Frage auseinandergesetzt, wie man eine zerstörungsfreie Diagnose des Elektrolyts durch das Batteriegehäuse hindurch mithilfe spezieller Kernspinresonanzverfahren ermöglichen kann. Die Ergebnisse sind im Fachjournal „Chemical Science“ veröffentlicht.
Wie funktioniert eine wiederaufladbare Batterie, landläufig auch Akkumulator oder kurz Akku genannt? Ein Akku speichert elektrische Energie in chemischer Form. Im Inneren befinden sich zwei metallische Elektroden und ein Medium, genannt Elektrolyt. Beim Entladen laufen chemische Reaktionen ab, bei denen geladene Teilchen im Inneren wandern, während Elektronen über den äußeren Stromkreis fließen und so elektrische Energie liefern. Beim Akku lässt sich dieser Vorgang umkehren: Durch das Aufladen werden die chemischen Prozesse zurückgesetzt, sodass der Energiespeicher erneut genutzt werden kann. Über viele Ladezyklen verändert sich der Elektrolyt, altert oder kann auslaufen, was bis zur Unbenutzbarkeit oder im ungünstigsten Fall sogar einer Gefährdung durch Hitzeentwicklung oder Explosion führen kann.
„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 Dr. 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, so dass wir ins Innere schauen können.“ Bei diesem Diagnoseverfahren, kurz auch ZULF NMR (für engl. zero-to-ultralow-field nuclear magnetic resonance ) genannt, 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.“
In der Zukunft könnten mithilfe von ZULF NMR wiederaufladbare Batterien im Rahmen von Operando-Messungen während des Betriebs auf ihre Integrität geprüft werden. Ein zunehmend wichtiges Thema, denn sie finden an vielen Stellen Einsatz, beispielsweise in mobilen Kleingeräten wie Handys oder Notebooks, aber auch im großen Stil in Elektrofahrzeugen. Von besonderer Relevanz sind sie bei der Speicherung erneuerbarer Energien. Darüber hinaus liefern die Messungen ein tieferes Verständnis elektrochemischer Prozesse und die Entwicklung von Batteriezellentechnologien der nächsten Generation.
„Die Fähigkeit, Elektrolytvolumina und -zusammensetzungen zerstörungsfrei zu charakterisieren, unterstützt ein optimales Batteriedesign und dient als wichtiges Instrument zur Qualitätskontrolle während des gesamten Lebenszyklus einer Zelle“, sagt Kooperationspartner Professor Alexej Jerschow von der Universität New York, Empfänger des Carl-Zeiss-Humboldt-Forschungspreises.
Das Forschungsteam um Professor Budker plant weitere Experimente, um die Diagnostik zu verbessern. „Wir haben noch viele Ideen, wie wir die Detektion genauer und schneller machen können, wie wir größere Batterien untersuchen können oder auch wie das Verfahren kosteneffizienter gestaltet werden kann“, sagt Budker. „Ich bin überzeugt, dass die Technik langfristig neben anderen, invasiveren Diagnosemethoden einen Platz finden wird.“
https://doi.org/10.1039/D5SC04419G
https://www.gsi.de/start/aktuelles/detailseite/2026/03/05/zulf-nmr-battery-testi...
Grafische Darstellung der ZULF-NMR-Messung einer Pouch-Zelle (Mitte) mithilfe von Quantensensoren wi ...
Copyright: © F. Teleanu, A. Fabricant, unter Nutzung von GPAI
Experimentaufbau am Helmholt-Institut Mainz
Copyright: © A. Fabricant
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Chemie, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
Grafische Darstellung der ZULF-NMR-Messung einer Pouch-Zelle (Mitte) mithilfe von Quantensensoren wi ...
Copyright: © F. Teleanu, A. Fabricant, unter Nutzung von GPAI
Experimentaufbau am Helmholt-Institut Mainz
Copyright: © A. Fabricant
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