Wenn das Display des Smart Phone dunkel bleibt oder das Elektroauto bewegungslos in der Garage verharrt, könnte eine „lebenspendende" Komponente ausgefallen sein: der Lithium-Ionen-Akku. Moderne Computertomographie kann helfen, die Zuverlässigkeit dieses sensiblen Energiespenders zu optimieren.

Ein Lithium-Ionen-Akkumulator war ausgefallen. Die äußere Hülle des Akkumulators zeigte jedoch keinerlei Hinweise auf die Ausfallursache. Somit wurde ein Blick in das Innere nötig, um die Ursache für die elektrische Fehlfunktion zu finden. Neben zerstörenden Prüfverfahren, wie beispielsweise der Metallographie, wurden auch zerstörungsfreie Prüfverfahren wie die Röntgen-Radiographie und die Röntgen-Computertomographie in Betracht gezogen. Die Radiographie liefert allerdings nur Überlagerungsbilder, bei denen eine Interpretation aufgrund der übereinanderliegenden Strukturen des Bauteils im Röntgenbild oft erschwert ist. So fiel die Wahl letztlich auf die Computertomographie (CT). Dieses Verfahren liefert dreidimensionale Bilder, mit deren Hilfe beliebige Bereiche des Bauteilinneren zerstörungsfrei geprüft werden können.

Rekonstruktion eines dreidimensionalen Datensatzes

Um die Defektursache zu analysieren, wurde der innere Aufbau des Plus- und Minus-Pols mithilfe der Röntgen-Computertomographie auf Fehler untersucht. Dazu wurde der 130kV-Computertomograph Desktop-CT exaCT S von Wenzel Volumetrik eingesetzt, dessen maximale Voxelauflösung bei 5 µm liegt (Abb.1). Um den gewünschten dreidimensionalen Datensatz zu erhalten, waren verschiedene zweidimensionale Projektionsbilder nötig. Um diese zu erhalten, drehte sich das Prüfobjekt im Verlauf der Messung in einem Röntgenkegelstrahl um 360°. Während der Drehung nahm der Detektor die Projektionsbilder auf, die sich aus der materialabhängigen Schwächung des Röntgenstrahls zusammensetzten. Aus ihnen wurde dann mittels leistungsstarker Rechner ein dreidimensionaler Datensatz von Volumenelementen (Voxeln) rekonstruiert.

Nach der Messung und der Rekonstruktion des Volumens ließ sich jede beliebige Schicht des untersuchten Bauteils aus unterschiedlichen Perspektiven auf Fehler überprüfen und das Bauteilinnere detailliert darstellen. Die Volumendaten wurden mit der Analysesoftware visualisiert und analysiert. Durch das rekonstruierte Volumen des Akkumulators konnten beliebige zweidimensionale Schnittebenen gelegt und mit einer Schrittweite im Mikrometerbereich verfahren werden, sodass eine detaillierte Analyse des Bauteilinneren möglich war (Abb. 2).
Die horizontale CT-Schnittebene durch den Akkumulator zeigt die aufgewickelten Elektroden- und Separatorlagen des Akkumulators, in die das sogenannte Tabbändchen eingebracht ist (siehe Pfeil). Das Tabbändchen verbindet die positive Elektrode mit dem Deckel der Zelle. Betrachtet man das Tabbändchen des Plus-Pols aus einer vertikalen Perspektive im CT-Volumenscan (Abb. 3), finden sich in der unteren Bildhälfte die Wicklungen wieder, in die das Tabbändchen mündet. Direkt darüber befindet sich der Anschluss des Bändchens an den Plus-Pol. Oberhalb der Wicklungen in der ersten Wendung des Bändchens ist deutlich die Unterbrechung zu erkennen (siehe Pfeil), die den elektrischen Ausfall verursacht hat. Durch Verfahren der Schnittebenen vor und hinter die schadhafte Stelle ist zu erkennen, dass diese sich an derselben Position durchgehend über alle weiteren vertikalen Schnittebenen erstreckt. Das Tabbändchen ist demzufolge komplett gerissen.

Der Blick ins Innere des Akkumulators

Die Analysesoftware ermöglicht mit sog. Clippingboxen das Wegschneiden von Volumenteilen des Akkumulators. So konnte das Tabbändchen durch gezieltes Ausblenden von Bereichen freigelegt werden und der durchgehende Riss im CT-Volumenscan ist sehr gut zu erkennen (Abb. 4). Der direkte Vergleich der vertikalen CT-Schnittebenen (Abb. 5) des elektrisch ausgefallenen Akkumulators (oben) mit einem elektrisch funktionsfähigen baugleichen Akkumulator (unten) zeigt erwartungsgemäß ein intaktes Tabbändchen beim funktionstüchtigen Akkumulator. Ohne das Vergleichsobjekt wäre die Interpretation der Fehlstelle kritisch zu hinterfragen, da CT-Bilder oftmals Artefakte zeigen. Das sind künstlich entstandene Abweichungen von der Wirklichkeit im CT-Bild. So könnte es sich bei dem Riss nicht um einen echten Spalt im Bändchen handeln, sondern um einen vom stärker absorbierenden Mantel des Akkumulators verursachten Schatten.

Aufgrund der durchgehenden Unterbrechung des Tabbändchens bestand also kein elektrischer Kontakt zwischen der positiven Elektrode und dem Zelldeckel, sodass der Akkumulator elektrisch ausfiel. Um diesen Fehler künftig zu vermeiden, muss bereits bei der Zellherstellung darauf geachtet werden, dass es zu keiner übermäßigen Beanspruchung und damit Beschädigung des 150 µm dicken Tabbändchens beim Zusammenbau der Zelle kommt. Dass der Riss im Bändchen von einem äußeren Einfluss, etwa eine mechanische Belastung der Zelle, herrührte, ist kaum wahrscheinlich, da keine Deformation sichtbar war, die auf eine äußere Krafteinwirkung hinwies. Weitere denkbare Anwendungen für CT-Analysen sind beispielsweise die Darstellung der inneren Strukturen als Teil von Designprüfungen, Zellevaluierungen oder die Detektion möglicher Fremdkörper innerhalb der Zellen.