Mikroskopielösungen verbessern Entwicklung und Test von EV-Batterien

Jüngste Daten zeigen, dass die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen nicht mit optimistischen Prognosen Schritt hält und dass viele Verbraucher aufgrund von Bedenken hinsichtlich Leistung und Sicherheit vom Kauf eines Elektrofahrzeugs Abstand nehmen. Fortschrittliche Bildgebungsverfahren wie die Rasterelektronenmikroskopie (Scanning Electron Microscopy, SEM) sind einerseits ein wesentlicher Bestandteil des Qualitätssicherungsprozesses und sie tragen andererseits zur Entwicklung fortschrittlicher Batterien bei. Hier betrachtet der SEM-Experte Dr. Jan Kretschmer, Senior Sales Manager bei Thermo Fisher Scientific, die entscheidende Rolle der Elektronenmikroskopietechnologie beim Verbessern der Leistung von Elektrofahrzeugen und beim Ausräumen von Verbraucherbedenken.

Nach Angaben des Europäischen Automobilherstellerverbandes (ACEA) ist der Absatz neuer batteriebetriebener Elektrofahrzeuge (BEVs) in Deutschland im August 2024 um fast 70 % gesunken. Während das Ende des Förderprogramms der Bundesregierung wahrscheinlich eine Rolle bei der Dämpfung der Nachfrage gespielt hat, ist zu vermuten, dass Verbraucher außerdem von Bedenken hinsichtlich der Batteriesicherheit und der Reichweite von EVs abgeschreckt wurden. Deloittes Forschungsbericht 2024 Global Automotive Consumer Study zeigt, dass 55 Prozent der befragten deutschen Verbraucher die Reichweite als ein Problem für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge angaben, während knapp ein Drittel Sicherheitsbedenken hatten.

Die meisten BEVs verwenden Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer überlegenen Energie- und Leistungsdichte im Vergleich zu anderen handelsüblichen Batterietechnologien. McKinseys Bericht Battery 2030: Resilient, sustainable and circular zeigt, dass die weltweite Lithium-Ionen-Nachfrage für Elektrofahrzeugen allein bis Ende des Jahrzehnts rund 4.300 Gigawattstunden (GWh) erreichen wird.

Obwohl die Batterien im normalen Gebrauch sicher sind, stellen überladene, kurzgeschlossene oder beschädigte Zellen ein Brandrisiko dar. Daher besteht die Herausforderung darin, Batterien zu entwickeln, die nicht nur sicherer und langlebiger, sondern auch umweltfreundlicher und kostengünstiger sind. Hier spielen fortschrittliche Bildgebungstechnologien eine entscheidende Rolle, um den Herausforderungen in Bezug auf Batterieproduktion, Qualitätskontrolle und Forschung zu begegnen.

Batterieproduktion und Sicherheit verbessern

Von der Herstellung der Kathode, Anode und Batteriezelle bis hin zur Montage des Batteriemoduls sind Verunreinigungen ein ständiger Grund zur Sorge.  Verunreinigungen können zu einer Vielzahl von Problemen führen, wie z. B. verminderte Materialeffizienz, beschleunigte Zellendegenerierung oder das Auftreten interner Kurzschlüsse, die Sicherheitsrisiken mit sich bringen.

Da die Konzentration von Verunreinigungen in Batterien im Allgemeinen gering ist, sind herkömmliche Bildgebungsverfahren, die Graustufenbilder erzeugen, für die Erkennung von Verunreinigungen an Elektroden langsam und mühsam. Es ist schwierig, für die Kontaminationsanalyse relevante Bereiche zu identifizieren, da rückgestreute Graustufen-Elektronenbilder nur einen auf der Atomzahl basierenden Zusammensetzungskontrast liefern, der in Graustufenbildern oft schwer zu erkennen ist.

Die Kombination aus energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) und SEM ermöglicht Ingenieuren, die strukturellen und elementaren Informationen von Verunreinigungen genauer zu untersuchen. Mit einer fortschrittlichen Bildgebungslösung wie Axia ChemiSEM von Thermo Fisher kann der Prozess beschleunigt werden, dadurch dass SEM mit „Live EDS“ integriert wird, um Verunreinigungen an Elektroden sofort charakterisieren zu können. Da die Röntgen­erkennung immer aktiv ist, werden Röntgenstrahlen während der Akquisition des Graustufenbildes im Hintergrund erfasst und verarbeitet, um quantitative Elementinformationen zu gewinnen. So können Ingenieure Verunreinigungen problemlos visualisieren und Probleme, die die Batteriesicherheit beeinträchtigen könnten, frühzeitig beheben.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Batteriekonstruktion ist die Charakterisierung der Binderverteilung innerhalb der Elektrode, da diese die Qualität und Leistung der Elektrode beeinflusst. EDS kann die Binderzusammensetzung zwar bestätigen, aber die Positions­informationen fehlen. Diese Informationen sind wichtig, da Bindermigration zu verringerter Elektrodenstabilität und potenziellen Kurzschlüssen führen kann, was die Kapazität und Lebensdauer der Batterie mindert und ihre Sicherheit beeinträchtigt.

Das Apreo ChemiSEM von Thermo Scientific verbindet die SEM-Analyse mit dem Säulen-Detektionssystem Trinity, einem einzigartigen Detektor, der den Unterschied zwischen Binder und leitfähigem Kohlenstoff anhand des Ladungskontrasts der Materialien leichter zu erkennen macht. Das Trinity Detection System unterscheidet sich von der herkömmlichen SEM-Konstruktion dadurch, dass es drei Detektoren umfasst (zwei in der Linse und einen in der Säule). Dies ermöglicht eine präzise Energie- und Winkelerfassung sekundärer und rückgestreuter Elektronen, die mit herkömmlichen Everhardt-Thornley-Detektoren (ETD) und Detektoren unter der Linse nicht erreichbar ist. Dieses System verbessert die Leistung durch das gleichzeitige Erfassen von Topografie-, Oberflächen- und Zusammensetzungsinformationen, ohne dass dazu zusätzliche ETD- oder BSD-Detektoren erforderlich sind, und es liefert eine Endauflösung von 0,9 Nanometer (nm) bei 1 kV ohne zusätzliche Strahlverlangsamung.

Neben der Qualitätssicherung im Produktionsprozess spielt die Mikroskopie auch eine entscheidende Rolle in der Forschung zu EV-Batterien. Viele Energiespeicher sind durch die Leistung ihrer Materialien beschränkt, was bedeutet, dass Forscher die chemischen und physikalischen Eigenschaften eines Materials genau verstehen müssen, um solche Einschränkungen zu überwinden.

Bei luft- und feuchtigkeitsempfindlichen Materialien ist dies eine besondere Herausforderung, da die Probenintegrität erhalten werden muss, um das Material in seinem nativen Zustand charakterisieren zu können. Im Kontext der Batterieforschung können reaktive Elemente wie Lithium degenerieren, wenn sie während der Analyse der Umgebung ausgesetzt werden. Daher können Mikroskopielösungen mit komplizierten Probenübertragungsprozessen den Zeitaufwand für die Aufnahme von Materialien erhöhen und die Konservierung erschweren. Die Verwendung eines Inertgasprobentransfers, der eine Probenübertragungslösung wie CleanConnect von Thermo Fisher verwendet, trägt nicht nur zur Erhaltung der Probenintegrität bei, sondern vereinfacht darüber hinaus die Probenhandhabung durch die problemlose Integration in SEM-Lösungen.

Inertgasproben-Workflows können mit dem SEM-Portfolio von Thermo Fisher verwendet werden, um Mikroanalysen und Mikroanalysen mit Polieren durchzuführen. In Workflows, die Ionenstrahlätzung und Polieren erfordern, kann das mit dem Red Dot ausgezeichnete CleanMill Broad Ion Beam (BIB)-System von Thermo Fisher Proben dank seiner energiereichen Ionenquelle schnell für die Bildgebung vorbereiten.

Um Fahrzeugemissionen weltweit zu verringern, muss die Automobilindustrie zunächst die Bedenken von Verbrauchern in Bezug auf Elektrofahrzeuge ausräumen. Fortschrittliche Bildgebungstechnologie werden dabei unerlässlich sein, um Forschungs- und Qualitätskontrollverfahren durchzuführen, die zu größerer Sicherheit, verbesserter Reichweite und weitreichender Akzeptanz von Elektrofahrzeugen führen.