Einleitung
Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind für die nachhaltige Mobilität und stationäre Energiespeicher eine Schlüssel-technologie. Dem Einsatz von Akkumulatoren in der auto-mobilen Anwendung folgt eine, gegenüber dem Bereich der Consumer Electronics, deutliche Steigerung der Qualitäts-, Leistungs- und Lebensdaueransprüche. Maßgebliche Funktionseigenschaften und die Qualität, respektive Lebens¬dauer der Akkumulatoren hängen vom Gefügebau, von feingeometrischen Merkmalen und Fertigungsungänzen ab und können aufgrund der Feinheit der inneren geometrischen Strukturen und eingesetzten Materialien teilweise nur über mikroskopische Verfahren erfasst werden. Dabei auftretende Zellquerschnitte von circa 150 × 25 mm bei prismatischen Zellen (PHEV), gegenüber einem gängigen Rundzelldurchmesser von 18-26 mm (Zelltypen 18650 oder 26650), setzen bei der mikroskopischen Bildaufnahme und der software-technischen Bildanalyse neue Maßstäbe.
Grundlagen Batterietechnologien
Batterien sind elektrochemische Energiespeicher und werden in Primär- und Sekundärzellen unterschieden. Primärzellen sind Stromquellen, bei denen der Entladevorgang die enthal¬tenen Reaktionsstoffe irreversibel verbraucht. Sekundärzellen, auch Akkumulatoren genannt, sind Energiespeicher die ihre enthaltenden Reaktionsstoffe bei der Entladung reversibel verbrauchen. Die zugeführte elektrische Energie wird beim Laden in chemische Energie umgewandelt.
Bei der Entladung wird dieser Vorgang umgekehrt. Ein vollständiger Lade- und Entladevorgang wird Zyklus genannt. Mit der Zyklenanzahl wird in den meisten Fällen auch die Lebensdauer von Akkumulatoren angegeben. Batterien bestehen aus Elektroden, welche durch einen ionenleitenden Elektrolyten miteinander verbunden sind. Eine für Ionen permeable Separator-Membran sorgt für die elektronische Trennung der positiven Elektrode (Kathode) von der negativen Elektrode (Anode).
Die Lithium-Ionen- Akkumulatoren gelten dabei als zukunftsweisende Speichertechnologie im mobilen als auch stationären Einsatzbereich. Die Kathodenbeschichtung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren besteht überwiegend aus Lithium-Übergangsmetall-oxiden auf Basis von Kobalt, Nickel und Mangan.
Die gängigsten Varianten an Zellchemien sind LiCoO2 (LCO), Li(NixCoyAlz)O2 (NCA), Li(NixCoyMnz)O2 (NMC), LiMn2O2 (LMO) und LiFePO2 (LFP). Bei der Anode besteht die Beschichtung überwiegend aus Graphit. Der sich wiederholend geschichtete Aufbau eines Akkumulators ist in Abbildung 1 dargestellt.
Bei der Entladung wird dieser Vorgang umgekehrt. Ein vollständiger Lade- und Entladevorgang wird Zyklus genannt. Mit der Zyklenanzahl wird in den meisten Fällen auch die Lebensdauer von Akkumulatoren angegeben. Batterien bestehen aus Elektroden, welche durch einen ionenleitenden Elektrolyten miteinander verbunden sind. Eine für Ionen permeable Separator-Membran sorgt für die elektronische Trennung der positiven Elektrode (Kathode) von der negativen Elektrode (Anode).
Die Lithium-Ionen- Akkumulatoren gelten dabei als zukunftsweisende Speichertechnologie im mobilen als auch stationären Einsatzbereich. Die Kathodenbeschichtung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren besteht überwiegend aus Lithium-Übergangsmetall-oxiden auf Basis von Kobalt, Nickel und Mangan.
Die gängigsten Varianten an Zellchemien sind LiCoO2 (LCO), Li(NixCoyAlz)O2 (NCA), Li(NixCoyMnz)O2 (NMC), LiMn2O2 (LMO) und LiFePO2 (LFP). Bei der Anode besteht die Beschichtung überwiegend aus Graphit. Der sich wiederholend geschichtete Aufbau eines Akkumulators ist in Abbildung 1 dargestellt.
Großflächig automatisierte lichtmikroskopische Bildaufnahme
Zur automatisierten Erfassung von Fertigungsungänzen, wie zum Beispiel Schichtdickenschwankungen, Risse, Partikel-inhomogenitäten, ist es notwendig, ein Übersichtsbild der gesamten Probenoberfläche bei 50- bis 100facher Vergrößerung abzuscannen und abzubilden. Für die detaillierte Bewertung der detektierten Ungänzen sind größere Bereiche, die eine Auflösung von mindestens 2 μm gewährleisten, relevant. Mit einem motorisierten Tisch-Verfahrweg von 300 × 300 mm, einer Probenraumhöhe von 112 mm und einer sehr stabilen Stativsäulenbauweise eignet sich das Lichtmikroskop ZEISS Axio Imager.Z2 Vario hervorragend, sowohl für die automatisierte Bildaufnahme großflächiger Übersichtsbilder (siehe Abbildung 2), als auch für höher vergrößerte Detailaufnahmen bei zum Beispiel 500- oder 1000facher Vergrößerung. Für klassische Auflichtmikroskope ohne seitlich angebrachte Stativsäule stellen derartig große prismatische Zellen aufgrund der Höhe (inkl. Halter) und lateralem Verfahrweg eine große Herausforderung dar. Mit dem Lichtmikroskop ZEISS Axio Imager.Z2 Vario können diese Hindernisse bestens überwunden und mikroskopische Analysen hervorragend angewandt werden. Der Tisch-Verfahrweg in Kombination mit der verfügbaren Probenraumhöhe ermöglicht zudem eine sehr effiziente lichtmikroskopische Überprüfung der Poliergüte von großflächigen prismatischen Zellen während der Präparation (siehe Abbildung 3).
Das Aus- und Einspannen der Proben aus der Präparationsvorrichtung, welche in Kooperation mit der Firma Struers ApS (Dänemark) speziell für die Aufnahme von prismatischen Lithium- Ionen-Akkumulatoren entwickelt wurde, zwischen den einzelnen Polierschritten entfällt. Zudem können gleichzeitig 2 prismatische Zellen lichtmikroskopisch untersucht werden.