Wiederaufladbare Batterien werden in tragbaren elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen und im Bereich der Speicherung erneuerbarer Energie eingesetzt. Ein Batterieausfall wird oft durch den Verlust oder den chemischen Abbau des Elektrolyten verursacht. Ein internationales Forschungsteam – bestehend aus dem Helmholtz-Institut Mainz, dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin und der New York University – hat kürzlich untersucht, wie spezielle Kernspinresonanztechniken (NMR) genutzt werden können, um Elektrolyte zerstörungsfrei durch die Batteriehülle zu diagnostizieren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Chemical Science“ veröffentlicht.

Funktionsweise von Batterien und Herausforderungen bei der Prüfung

Batterien speichern elektrische Energie in chemischer Form. Im Inneren befinden sich zwei Metallelektroden und ein Medium, der sogenannte Elektrolyt. Beim Entladen findet eine chemische Reaktion statt, die geladene Teilchen wandern lässt, während Elektronen durch einen externen Stromkreis fließen und so elektrische Energie liefern. Bei wiederaufladbaren Batterien ist dieser Prozess umkehrbar: Das Aufladen setzt den chemischen Zustand zurück, sodass der Energiespeicher wiederholt genutzt werden kann. Nach vielen Lade- und Entladezyklen verändert, altert oder leckt der Elektrolyt, was zum Ausfall der Batterie führen und sogar Sicherheitsrisiken durch Überhitzung oder Explosionen mit sich bringen kann.

„Es fehlt derzeit an zuverlässigen, zerstörungsfreien Methoden, um den Batteriezustand zu bestimmen, da herkömmliche Techniken nicht durch die Hülle hindurch die Menge und chemische Zusammensetzung des Elektrolyts messen können. Genau hier setzt unsere Forschung an“, erklärt Dr. Anne Fabricant, Co-Erstautorin der Studie. Sie war an den Experimenten am Helmholtz-Institut Mainz und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin beteiligt. „Wir wenden eine Kernspinresonanztechnik bei Null- bis Ultraniederfeld an, um die Batterie zu untersuchen. Die Batteriehülle ist für diese Technik durchsichtig, sodass wir ins Innere blicken können.“

Technologiedurchbruch und experimentelle Validierung

Diese Diagnosetechnik wird als ZULF-NMR bezeichnet, also Kernspinresonanzmessung ohne starke externe Magnetfelder. Prof. Dr. Dmitry Budker vom Helmholtz-Institut Mainz und der Universität Mainz erläutert: „In unseren Tests konnten wir die Lösungsmittel- und Lithiumsalzkomponenten eines kommerziellen Elektrolyten direkt durch die metallische Batteriehülle hindurch detektieren und quantifizieren. Es handelte sich dabei um echte, versiegelte Batterien, einschließlich der in Elektrofahrzeugen häufig verwendeten Pouch-Zellen-Bauweise. Wir haben die Machbarkeit der Technik nachgewiesen und ebnen so den Weg für ihre praktische Anwendung.“

In Zukunft könnte ZULF-NMR für die Integritätsprüfung von wiederaufladbaren Batterien während des Betriebs eingesetzt werden, also für In-situ-Messungen. Diese Technik gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Batterien weit verbreitet sind – von kleinen mobilen Geräten wie Mobiltelefonen und Laptops bis hin zu großen Anwendungen wie Elektrofahrzeugen – und für die Speicherung erneuerbarer Energien besonders wichtig sind. Darüber hinaus kann die Messtechnik das Verständnis elektrochemischer Prozesse vertiefen und die Entwicklung der nächsten Batteriegeneration unterstützen.

Bedeutung für die Branche und Ausblick

Prof. Dr. Alexej Jerschow, Hauptkooperationspartner des Projekts an der New York University, sagt: „Die Fähigkeit, Elektrolytvolumen und -zusammensetzung zerstörungsfrei zu charakterisieren, kann helfen, Batteriedesigns zu optimieren, und ein wichtiges Qualitätskontrollinstrument während der gesamten Lebensdauer einer Batterie werden.“ Jerschow ist Träger des Carl Zeiss-Humboldt-Forschungspreises.

Budkers Forschungsteam plant weitere Experimente, um die Diagnosemethode zu verbessern. „Wir haben viele Ideen, wie die Detektion genauer und schneller werden kann, wie größere Batterien geprüft und wie die Kosten gesenkt werden können. Ich bin überzeugt, dass diese Technik langfristig neben anderen, invasiveren Diagnosemethoden bestehen wird.“

Mit der raschen Entwicklung der neuen Energiewirtschaft ist die Batteriesicherheit zu einem zentralen Anliegen der Branche geworden. Der Durchbruch dieser zerstörungsfreien Prüftechnik bietet einen neuen technischen Ansatz, um die Zuverlässigkeit von Batterien zu erhöhen und ihre Lebensdauer zu verlängern. Sie hat das Potenzial, in Zukunft eine wichtige Rolle für die Sicherheit von Batterien in der Elektromobilität und im Energiespeicherbereich zu spielen.

Veröffentlichungsdetails: Autoren: Anne M. Fabricant et al., Titel: „Zerstörungsfreie Beobachtung der Elektrolytzusammensetzung in Batterien mittels Ultraniederfeld-Kernspinresonanz“, erschienen in: „Chemical Science“ (2026). Zeitschrifteninfo: „Chemical Science“