Zustand von Lithium-Ionen-Akkus kann mit einfacher Methode gemessen werden

Yinan Hu aus der Arbeitsgruppe von Dmitry Budker mit einer Batterie vor dem Apparat zur Messung des Ladezustands (Foto/©: Arne Wickenbrock)

Wiederaufladbare Batterien sind das Herzstück für viele neue Technologien, für die vermehrte Nutzung erneuerbarer Energien und ganz konkret für den Antrieb von elektrischen Fahrzeugen, für Handys und Laptops.

Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) haben nun eine berührungsfreie Methode vorgestellt, wie der Ladungszustand und Defekte an Lithium-Ionen-Akkus gemessen werden können.

Dabei kommen Atommagnetometer zum Einsatz, die das Magnetfeld um die Batteriezellen messen. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dmitry Budker nutzt die Atommagnetometrie ansonsten für die Erforschung fundamentaler Fragen der Physik wie zum Beispiel zur Suche nach neuen Teilchen.

Magnetometrie bezeichnet die Messung von Magnetfeldern. Ein einfaches Anwendungsbeispiel ist der Kompass, der anhand des Erdmagnetfelds nach Richtung Norden weist.

Berührungslose Qualitätssicherung von Batterien mittels Atommagnetometern

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“, erklärt Dr. Arne Wickenbrock aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dmitry Budker am Institut für Physik der JGU und Helmholtz-Institut Mainz.

Die Arbeitsgruppe hat hier einen Durchbruch erzielt, indem Atommagnetometer für die Messung zum Einsatz kamen. Die Idee dazu entstand bei einem Telefonat von Budker mit seinem Kollegen Prof. Dr. 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 Prof. Dr. Dmitry Budker dienen Atommagnetometer für Grundlagenforschungen 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.

Einfache Methode ermöglicht schnelle Messungen mit hohem Durchsatz

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 sind vielversprechend, besonders für die Beurteilung von Batteriezellen in der Forschung, für die Qualitätskontrolle oder während des laufenden Betriebs“, schreiben die Autoren in einer Studie, die im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America erschienen ist.

Im Sommer 2019 hatte die Arbeitsgruppe zwei Veranstaltungen zur angewandten Atomphysik mit international hochrangiger Beteiligung ausgerichtet. Die rund 200 Teilnehmerinnen und Teilnehmer befassten sich mit aktuellen Fragen der Atommagnetometrie und anderer Quantenmessungen.

Bildmaterial:
https://download.uni-mainz.de/presse/08_physik_quantum_him_batterie_magnetometri…
Yinan Hu aus der Arbeitsgruppe von Dmitry Budker mit einer Batterie vor dem Apparat zur Messung des Ladezustands
Foto/©: Arne Wickenbrock

Weiterführende Links:
https://budker.uni-mainz.de/ – Budker Lab
http://www.quantum.physik.uni-mainz.de – Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM) an der JGU
https://www.hi-mainz.de/ – Helmholtz-Institut Mainz
https://as.nyu.edu/content/nyu-as/as/faculty/alexej-jerschow.html – Alexej Jerschow an der New York University

Video:
https://www.youtube.com/watch?v=m6tNm_wuAxI&list=PLmGfeHeU4DbGPxcpdL2PGdbEGq… – 7th Annual Workshop on Optically-Pumped Magnetometers (WOPM) (14.-16. August 2019)

Lesen Sie mehr:
https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/10255_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Weiteres Puzzleteil auf der Suche nach Dunkler Materie hinzugefügt“ (29.10.2019)
https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/9704_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Cäsium-Dampf hilft bei der Suche nach Dunkler Materie“ (07.10.2019)
https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/8949_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Der Dunklen Materie auf der Spur“ (26.06.2019)
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/8606_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „MiLiQuant: Quantentechnologie nutzbar machen“ (23.05.2019)
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/6862_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Auf dem Weg zum Quanten-Web: JGU an europäischem Quantentechnologie-Projekt beteiligt“ (30.10.2018)

Dr. Arne Wickenbrock
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
und Helmholtz-Institut Mainz (HIM)
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23685
Fax +49 6131 39-25179
E-Mail: wickenbr@ni-mainz.de
https://budker.uni-mainz.de/?page_id=70

Y. Hu et al., Sensitive magnetometry reveals inhomogeneities in charge storage and weak transient internal currents in Li-ion cells
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 6. Mai 2020,
DOI: 10.1073/pnas.1917172117
https://www.pnas.org/content/early/2020/05/05/1917172117

Media Contact

Kathrin Voigt idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Informationen:

https://www.uni-mainz.de/

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik

Dieser Fachbereich umfasst die Erzeugung, Übertragung und Umformung von Energie, die Effizienz von Energieerzeugung, Energieumwandlung, Energietransport und letztlich die Energienutzung.

Der innovations-report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Windenergie, Brennstoffzellen, Sonnenenergie, Erdwärme, Erdöl, Gas, Atomtechnik, Alternative Energie, Energieeinsparung, Fusionstechnologie, Wasserstofftechnik und Supraleittechnik.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

Die Zukunft der Robotik ist soft und taktil

TUD-Startup bringt Robotern das Fühlen bei. Die Robotik hat sich in den letzten Jahrzehnten in beispiellosem Tempo weiterentwickelt. Doch noch immer sind Roboter häufig unflexibel, schwerfällig und zu laut. Eine…

Stabilität von Perowskit-Solarzellen erreicht den nächsten Meilenstein

Perowskit-Halbleiter versprechen hocheffiziente und preisgünstige Solarzellen. Allerdings reagiert das halborganische Material sehr empfindlich auf Temperaturunterschiede, was im Außeneinsatz rasch zu Ermüdungsschäden führen kann. Gibt man jedoch eine dipolare Polymerverbindung zur…

EU-Projekt IntelliMan: Wie Roboter in Zukunft lernen

Entwicklung eines KI-gesteuerten Manipulationssystems für fortschrittliche Roboterdienste. Das Potential von intelligenten, KI-gesteuerten Robotern, die in Krankenhäusern, in der Alten- und Kinderpflege, in Fabriken, in Restaurants, in der Dienstleistungsbranche und im…

Partner & Förderer