Wiederaufladbare Batterien sind das Herzstück vieler neuer Technologien, die z. B. die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien ermöglichen. Sie werden insbesondere für den Betrieb von Elektrofahrzeugen, Handys und Laptops eingesetzt.
Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) haben jetzt eine berührungslose Methode vorgestellt, um den Ladezustand und eventuelle Defekte in Lithium-Ionen-Batterien zu erkennen.
Zu diesem Zweck werden atomare Magnetometer eingesetzt, um das Magnetfeld um Batteriezellen zu messen. Professor Dmitry Budker und sein Team nutzen die Atommagnetometrie in der Regel zur Erforschung grundlegender physikalischer Fragen, etwa bei der Suche nach neuen Teilchen. Magnetometrie ist die Bezeichnung für die Messung von Magnetfeldern. Ein einfaches Beispiel für ihre Anwendung ist der Kompass, der aufgrund des Erdmagnetfeldes nach Norden zeigt.
Berührungslose Qualitätssicherung von Batterien mit Hilfe von Atommagnetometern
Yinan Hu, Mitglied der Forschungsgruppe von Professor Dmitry Budker an der JGU, hält eine Batteriezelle neben einem Gerät, das den Ladezustand misst (Photo Credit: Arne Wickenbrock)
Die Nachfrage nach wiederaufladbaren Batterien mit hoher Kapazität steigt und damit auch der Bedarf an einer empfindlichen und genauen Diagnosetechnik zur Bestimmung des Zustands einer Batteriezelle. Der Erfolg vieler neuer Entwicklungen wird davon abhängen, ob Batterien hergestellt werden können, die eine ausreichende Kapazität und eine lange effektive Lebensdauer aufweisen. "Die Qualitätssicherung von wiederaufladbaren Batterien stellt eine große Herausforderung dar.
Berührungslose Methoden können neue Impulse zur Verbesserung von Batterien geben", sagt Dr. Arne Wickenbrock, Mitglied der Arbeitsgruppe von Professor Dmitry Budker am Institut für Physik der JGU und am Helmholtz-Institut Mainz. Der Gruppe ist ein Durchbruch gelungen, indem sie atomare Magnetometer für die Messungen eingesetzt hat. Die Idee dazu entstand während einer Telefonkonferenz zwischen Budker und seinem Kollegen Professor Alexej Jerschow von der New York University. Sie entwickelten ein Konzept und führten in enger Zusammenarbeit zwischen den beiden Gruppen die entsprechenden Experimente in Mainz durch.
"Unsere Technik funktioniert im Wesentlichen genauso wie die Magnetresonanztomographie, ist aber viel einfacher, weil wir atomare Magnetometer verwenden", sagt Wickenbrock, der zu dem Team gehört, das die Untersuchungen durchführt. Atomare Magnetometer sind optisch gepumpte Magnetometer, die Atome in gasförmiger Form als Sonden für ein Magnetfeld verwenden. Sie sind kommerziell erhältlich und werden sowohl in der industriellen Anwendung als auch in der Grundlagenforschung eingesetzt. Budkers Arbeitsgruppe an der JGU und am HIM, die auch selbst fortschrittliche magnetische Sensoren entwickelt, nutzt diese Atommagnetometer für die physikalische Grundlagenforschung, etwa bei der Suche nach dunkler Materie und bei dem Versuch, das Rätsel zu lösen, warum sich Materie und Antimaterie nach dem Urknall nicht sofort gegenseitig vernichtet haben.
Einfache Methode ermöglicht schnelle Messungen mit hohem Durchsatz
Bei den Batteriemessungen werden die Batterien in ein Hintergrundmagnetfeld gestellt. Die Batterien verändern dieses Hintergrundmagnetfeld und die Veränderung wird mit Atommagnetometern gemessen. "Die Veränderung gibt uns Aufschluss über den Ladezustand der Batterie, über die verbleibende Ladung und über mögliche Schäden", so Wickenbrock weiter. "Das Verfahren ist schnell und lässt sich unserer Meinung nach gut in die Produktionsprozesse integrieren." Wiederkehrende Berichte über schwere Verletzungen durch die Explosion von E-Zigaretten und die Beschränkung der Mitnahme bestimmter Handytypen in Flugzeugen zeigen, dass ein Bedarf an der Erkennung von Defekten in Batteriezellen besteht.
"Die diagnostische Leistung dieser Technik ist vielversprechend für die Bewertung von Zellen in der Forschung, für die Qualitätskontrolle oder während des Betriebs", so die Autoren in ihrem kürzlich erschienenen PNAS-Artikel. Im vergangenen Sommer organisierte die gleiche Arbeitsgruppe zwei Veranstaltungen zur angewandten Atom- und Kernphysik mit hochrangiger internationaler Beteiligung. Rund 200 Forscher aus der ganzen Welt befassten sich mit aktuellen Fragen der atomaren Magnetometrie und anderen Formen der Quantenmesstechnik.
Ursprünglicher Artikel:
Dieser Artikel wurde ursprünglich an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz veröffentlicht.
Zeitschrift Referenz:
Yinan Hu, Geoffrey Z. Iwata, Mohaddese Mohammadi, Emilia V. Silletta, Arne Wickenbrock, John W. Blanchard, Dmitry Budker, Alexej Jerschow. Empfindliche Magnetometrie zeigt Inhomogenitäten in der Ladungsspeicherung und schwache transiente interne Ströme in Li-Ionen-Zellen. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 201917172 DOI: 10.1073/pnas.1917172117
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