Industrielle Computertomografie in der Praxis

Ausfallanalyse an einem Lithium-Ionen-Akku

28. Januar 2014, 13:53 Uhr | Miriam Rauer, Prof. Dr. Michael Kaloudis, Wenzel Group
Bild 1: Verwendete Messaufbau der Hochschule Aschaffenburg. Der Computertomograph exaCT S von Wenzel ermöglicht den Blick ins Innere eines Akkumulators.
Verwendeter Messaufbau der Hochschule Aschaffenburg. Der Computertomograph exaCT S von Wenzel ermöglicht den Blick ins Innere eines Akkumulators.
© Wenzel Group

Bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator galt es, die Ursache für den elektrischen Ausfall zu finden. Dazu haben die Ingenieure den inneren Aufbau des Bauteils mit Hilfe eines Computertomografen zerstörungsfrei analysiert. Das Ergebnis: Der Fehler hätte bereits beim Zusammenbau der Zelle vermieden werden können. Ein Praxisbeispiel.

Der elektrische Ausfall eines Lithium-Ionen-Akkus war der Ausgangspunkt für die anstehende Untersuchung. Das Problem: Die äußere Hülle des Akkus zeigte keinerlei Hinweise auf die Ausfallursache - ein Blick in das Innere war demnach nötig.

Neben zerstörenden Prüfverfahren wie beispielsweise die Metallographie wurden ebenfalls zerstörungsfreie Prüfverfahren wie die Röntgen-Radiographie und die Röntgen-Computertomographie in Betracht gezogen. Die Radiographie liefert nur Überlagerungsbilder, bei denen eine Interpretation oft aufgrund der übereinanderliegenden Strukturen des Bauteils im Röntgenbild erschwert ist, so dass letztlich die Wahl auf die Computertomographie (CT) fiel. Dieses Verfahren liefert dreidimensionale Bilder, die es ermöglichen, beliebige Bereiche des Bauteilinneren zerstörungsfrei zu prüfen.

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 kam der 130-kV-Computertomograph Desktop-CT exaCT S von Wenzel Volumetrik zum Einsatz, dessen maximale Voxelauflösung bei 5 µm liegt.

Um den gewünschten dreidimensionalen Datensatz zu erhalten, sind verschiedene zweidimensionale Projektionsbilder nötig. Hierzu muss sich das Prüfobjekt im Verlauf der Messung um 360° in einem Röntgenkegelstrahl drehen. Während der Drehung nimmt der Detektor die Projektionsbilder auf, die sich aus der materialabhängigen Schwächung des Röntgenstrahls zusammensetzen. Aus ihnen wird nun mittels leistungsstarker Rechner ein dreidimensionaler Datensatz von Volumenelementen (Voxeln) rekonstruiert.

Nach der Messung und der Rekonstruktion des Volumens ist es möglich, jede beliebige Schicht des zu prüfenden Bauteils aus unterschiedlichen Perspektiven auf Fehler hin zu überprüfen sowie das Bauteilinnere detailliert darzustellen. Die Volumendaten werden mit der Analysesoftware visualisiert und analysiert.

Industrielle Computertomographie mit dem exaCT S

Bild 1: Verwendete Messaufbau der Hochschule Aschaffenburg. Der Computertomograph exaCT S von Wenzel ermöglicht den Blick ins Innere eines Akkumulators.
© Wenzel Group
Bild 2: Horizontale CT-Schnittebene des Akkumulators mit Kennzeichnung des Tabbändchens
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Bild 3: Vertikaler Schnitt durch den CT-Volumenscan des Akkumulators mit Markierung des Risses im Tabbändchen.
© Wenzel Group

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Durch das rekonstruierte Volumen des Akkus können beliebige zweidimensionale Schnittebenen gelegt und mit einer Schrittweite im Mikrometerbereich verfahren werden, so dass eine detaillierte Analyse des Bauteilinneren möglich ist (Bild 2). Die horizontale CT-Schnittebene durch den Akku zeigt die aufgewickelten Elektroden- und Separatorlagen des Akkus, in die das so genannte 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 (Bild 3), finden sich in der unteren Bildhälfte die Wicklungen wieder, in die das Tabbändchen mündet, und darüber der Anschluss des Tabbändchens an den Plus-Pol. Oberhalb der Wicklungen in der ersten Wendung des Tabbändchens ist deutlich eine Unterbrechung zu erkennen (siehe Pfeil), die den elektrischen Ausfall verursacht hat. Durch Verfahren der Schnittebenen vor und hinter der schadhaften Stelle ist zu erkennen, dass sich diese an derselben Position durchgehend über alle weiteren vertikalen Schnittebenen erstreckt und demzufolge das Tabbändchen komplett gerissen ist.

CT ermöglicht tiefe Einblicke ins Innere des Akkus

Die Analysesoftware ermöglicht mit Clippingboxen das Wegschneiden von Volumenteilen des Akkumulators. So konnte das Tabbändchen durch gezieltes Ausblenden von Bereichen freigelegt werden, sodass der durchgehende Riss im CT-Volumenscan sehr gut zu erkennen ist (Bild 4).

Der direkte Vergleich der vertikalen CT-Schnittebenen des elektrisch ausgefallenen Akkumulators (oben) mit einem elektrisch funktionsfähigen baugleichen Akku (unten) zeigt erwartungsgemäß ein intaktes Tabbändchen beim funktionstüchtigen Akku (Bild 5). Ohne das Vergleichsobjekt wäre die Interpretation der Fehlstelle kritisch zu hinterfragen, da es in CT-Bildern oftmals zu Artefakten kommt. Artefakte sind Abweichungen von der Wirklichkeit im CT-Bild, die künstlich entstanden sind. So wäre an dieser Stelle ebenfalls in Betracht zu ziehen, dass es sich bei dem Riss um keinen wirklichen Spalt im Tabbändchen handelt, sondern dieser durch einen Schatten des stärker absorbierenden Mantels des Akkumulators verursacht wurde.

Aufgrund der durchgehenden Unterbrechung des Tabbändchens besteht kein elektrischer Kontakt zwischen der positiven Elektrode und dem Zelldeckel, sodass der Akkumulator elektrisch ausfällt. Um den 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 Tabbändchen von einem äußeren Einfluss, etwa eine mechanische Belastung der Zelle, herrührt, ist kaum in Erwägung zu ziehen, da keine äußere Krafteinwirkung in Form einer Deformation sichtbar ist.

Weitere denkbare Anwendungen sind beispielsweise die Darstellung der inneren Strukturen als Teil von Designprüfungen, Zellevaluierungen oder die Detektion möglicher Fremdkörper innerhalb der Zellen.


  1. Ausfallanalyse an einem Lithium-Ionen-Akku
  2. Hintergrund: Der Lithium-Ionen-Akkumulator