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Alles dicht an befüllten Lithium-Ionen-Batteriezellen?

Neue Methode von Inficon zur Dichtheitsprüfung
Alles dicht an befüllten Lithium-Ionen-Batteriezellen?

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Lithium-Ionen-Zellen von Traktionsbatterien für Elektroautos müssen auf Dichtheit überprüft werden. Schwierig ist dies, wenn die Zellen erst einmal mit Elektrolyt befüllt sind. Bislang gab es für solche Integritätstests nur indirekte, zu unempfindliche oder zu unzuverlässige Verfahren. Nun gibt es eine Alternative.

Die Dichtheit von Lithium-Ionen-Zellen ist wichtig, weil sich ihre Kapazität und damit ihre Lebensdauer verkürzt, wenn Elektrolyt aus der Zelle austritt. Dringt wiederum Luftfeuchtigkeit durch ein Leck in die Zelle ein, kann der Elektrolyt mit Wasser zu Flusssäure reagieren – was zu weiteren Lecks führt und die Lebensdauer der Zelle noch stärker reduziert. Zudem werden alle Zell-Typen maximal bis zu atmosphärischem Druck mit Elektrolyt befüllt. In prismatischen, Knopf- und Rundzellen mit festem Gehäuse herrscht ein Druck nahe Atmosphärendruck, in Pouchzellen mit weichem Gehäuse sogar ein deutlicher Unterdruck. Lecks in Pouchzellen führen deshalb auch noch dazu, dass diese sich durch die eindringende Luft aufblähen – und so mechanische Stabilität und Kapazität verlieren.

Bisher wurden Dichtheitsprüfungen an betriebsbereit befüllten Zellen entweder durch die Unempfindlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt – wie bei der Druckabfallprüfung – oder durch die Unzuverlässigkeit in dieser Anwendung – wie beim Helium-Bombing, das nur für die Detektion von Gaslecks zuverlässig einsetzbar ist. Bei der vermeintlich kostengünstigen Druckabfallprüfung füllt man eine Prüfkammer bis zu einem definierten Überdruck von einigen Bar mit Luft und misst über ein definiertes Zeitintervall, welche etwaigen Druckveränderungen sich ergeben, weil Luft durch ein Leck in die Zelle eindringt. So lassen sich in der Praxis Grenzleckraten von bis zu 10–3 mbar∙/s ermitteln. Ein großes Problem dieses Verfahrens ist seine Anfälligkeit für Temperaturschwankungen. Steigt die Temperatur während der Prüfung nur um Bruchteile eines Grads, bleiben Lecks oft unerkannt, fällt dagegen die Temperatur, ermittelt die Druckabfallprüfung Phantom-Lecks.

Das Helium-Bombing ist eine Methode, die zwar prinzipiell eine hohe Empfindlichkeit mitbringt, sich aber im Anwendungsszenario der Zellprüfung als unzuverlässig erweist. Beim Bombing wird die Batteriezelle in eine Vakuumkammer gelegt und einer Helium-Atmosphäre mit rund 5 bar Druck ausgesetzt. So kann das Helium-Prüfgas durch etwaige Lecks in die Zelle eindringen. Nachgewiesen wird das Prüfgas in einem anschließenden Schritt, wenn das eingedrungene Helium wieder in die inzwischen evakuierte Vakuumkammer austritt. Für den Erfolg der Bombing-Methode sind allerdings die genaue Leckstelle und die Position der Batteriezelle entscheidend. Liegt die Helium-Gasblase im Innern der Zelle nicht mehr unmittelbar vor der Leckstelle, wird bei der abschließenden Helium-Prüfung anstelle des Prüfgases vor allem Elektrolytlösung in das Vakuum der Prüfkammer austreten: Das Leck bleibt unerkannt.

Auch die Schnüffelecksuche
scheitert

Schon weil die Elektrolytlösung nie mit Überdruck in die Zellen gefüllt wird, versagt im Anwendungsszenario der Zellfertigung auch die Schnüffellecksuche. Das Prinzip der Schnüffellecksuche besteht darin, ein an einer Leckstelle austretendes Gas durch eine Schnüffelspitze anzusaugen, sodass es detektiert werden kann. Zudem ist in diesem Fall – unter atmosphärischem Außendruck und bei einer Raumtemperatur von 20 °C – der Dampfdruck des Elektrolyt-Lösungsmittels, das aus einem Leck in der Zellenwand austritt, einfach zu gering. Für Lösungsmittel wie Ethylmethylcarbonat (EMC) oder Dimethylcarbonat (DMC) liegt der Dampfdruck unter den beschriebenen Bedingungen bei lediglich 43 beziehungsweise 53 mbar. Bei Diethylcarbonat (DEC) beträgt er sogar nur 13 mbar. Ein direkter Nachweis austretenden Elektrolyt-Lösungsmittels ist mit der herkömmlichen Schnüffellecksuche darum nicht möglich. Anders verhält es sich erst, wenn die befüllte Zelle in einer Vakuumkammer geprüft wird.

Diesen Effekt macht sich Inficon bei seiner neuen Prüfmethode für fertig befüllte Batteriezellen zunutze. Befinden sich die Zellen in einem Vakuum, kann im Falle eines Lecks genügend Lösungsmittel in die Vakuumkammer austreten, wo es schnell verdampft und leicht detektierbar ist. Das neue Prüfgerät ELT3000 von Inficon nutzt genau diesen Umstand. Es weist alle gängigen Elektrolyt-Lösungsmittel direkt nach, wenn sie aus der Zelle austreten: ob DMC, DEC, EMC oder PP – wobei für Batteriezellen sehr häufig auch Gemische aus diesen Lösungsmitteln verwandt werden. Die neue Methode ermittelt ebenso Lecks an Lithium-Ionen-Zellen mit starren Gehäusen – also an prismatischen, Knopf- und Rundzellen – wie an den weichen Pouch-Zellen.

Leckrate und Leckdurchmesser

Die flüssige Lösung in der Zelle kann einen Leckkanal selbst verschließen – vorausgesetzt, er ist klein genug. An der Leckstelle kommt es dann allenfalls zu einer minimalen Verdunstung, die die Lebensdauer der Zelle nicht nennenswert verkürzt. Darum ist für Batteriezellen auch keine absolute Dichtheit erforderlich. Entscheidend ist vielmehr, dass die Zelle bei der Prüfung die erforderliche Grenzleckrate einhält. Die neue Inficon-Methode weist Lecks bis zu einer Helium-Äquivalenzleckrate von 1∙0–6 mbar l/s nach. Bei weichen Pouch-Zellen mit zum Beispiel 400 mbar Innendruck und einer Foliendicke von ungefähr 150 µm ergibt sich so ein minimal nachweisbarer Leckdurchmesser von 1,9 µm. Bei stabilen prismatischen Zellen mit einer Wandstärke von beispielsweise 2 mm und einem Innendruck von 800 mbar identifiziert das neue Verfahren Lecks bis zu einem Durchmesser von 2,6 µm.

Solche Lecks von wenigen Mikrometern Durchmesser werden in der Regel durch die flüssige Elektrolytlösung verschlossen. Im Betrieb und unter atmosphärischem Druck gibt es also nur einen vernachlässigbaren Verdunstungseffekt. Weder können aus Lecks dieser Größe ganze Tropfen der Elektrolytlösung austreten noch kann Luftfeuchtigkeit in die Zelle eindringen. So trägt eine Dichtheitsprüfung gegen die Grenzleckrate von 1∙0–6 mbar l/s dazu bei, dass die Lebensdauer von zehn Jahren, die die Industrie für ihre Batteriezellen anstrebt, erreicht werden kann.

Das neue Prüfsystem für den direkten Nachweis von austretendem Lösungsmittel besteht aus mehreren Komponenten: einem Gasnachweissystem für Elektrolyt-Lösungsmittel (der Gas Detection Unit, GDU) und einer Steuereinheit für die Gasflüsse (der Gas Contol Unit, GCU). Hinzu kommt noch die Vakuumkammer, in der die Zellen dem Prüfprozess unterzogen werden. Inficon liefert verschiedene Prüfkammern für Tests an prismatischen, Knopf- und Rundzellen, aber ebenso eine Kammer für Prüfungen an den weichen, empfindlicheren Pouch-Zellen. Befinden sich die Batteriezellen in der jeweiligen Kammer, lässt sich die Prüfung auf Knopfdruck starten. Die Steuereinheit erzeugt in der Kammer dann ein Vakuum von 5 mbar absolut. Die Druckdifferenz zum Zell-
innern, das mit Elektrolyt unter einem Druck von einigen Hundert Millibar befüllt ist, sorgt dafür, dass die Elektrolytlösung durch etwaige Lecks aus der Zelle austritt und der Lösungsmittelanteil im Vakuum der Prüfkammer verdampft. Das Massenspektrometer des Gasnachweissystems weist dann dieses Lösungsmittel und damit das Leck in der Zelle nach.

Bislang waren Vakuumprüfungen an den weichen Pouch-Zellen unmöglich, denn wegen der Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Zelle und dem Vakuum der Prüfkammer käme es zur Expansion der Zellen; sie würden beschädigt. Die flexible Prüfkammer FTC3000 von Inficon löst dieses Problem: Eine Folienmembran schmiegt sich während der Evakuierung eng an die Zelloberfläche und stabilisiert so die empfindlichen Zellen. Ein Aufblähen oder gar ein Platzen der Pouch-Zelle sind dadurch verhindert, die schnelle und zuverlässige Vakuumprüfung wird möglich. Durch die flexible Membran reduziert sich zudem das Totvolumen der Prüfkammer, was wiederum die Evakuierung beschleunigt.

Stets rückführbare Ergebnisse

Ob mit starrer oder flexibler Kammer: Das neue Prüfgerät minimiert menschliche Fehlerquellen und ist dank des einfachen Prüfablaufs und seines Touchdisplays intuitiv bedienbar. Mithilfe des E-Check Testlecks lässt es sich für verschiedene Lösungsmittel kalibrieren. Das Nachweissystem vergleicht das Ergebnis jeder Prüfung mit einem zuvor definierten Trigger-Wert und zeigt Lecks sofort an. Auch ist es einfach, Testergebnisse dem konkreten Prüfling zuzuweisen. Dazu schließt man an die genormte Schnittstelle des Geräts einen Barcode-Scanner an, mit dem sich jede Zelle individuell erfassen lässt. Das System verknüpft die exakten Testergebnisse dann mit der jeweiligen Teil-ID und einem Zeitstempel. Zudem speichert es alle Prüfdaten für einen Export – auch dies garantiert rückführbare Ergebnisse.

Inficon GmbH
Bonner Str. 498
50968 Köln
Tel. +49022156788100
www.inficon.com


Bild: Inficon

Sandra Seitz

Automotive Market
Manager
Leak Detection
Inficon

www.inficon.com


Webhinweis

Im Youtube-Channel von Inficon findet man eine fünfteilige Video-Serie über verschiedene Dichtheitsprüfmethoden. Und in einem Video zeigt das Unternehmen, wie die Dichtheitsprüfung an befüllten Lithium-Ionen-Batteriezellen mit dem ELT3000 funktioniert:


Spürt kleinste Lecks auf

Dank seiner Massenspektrometer- und Vakuummethode kann das neue ELT3000 von Inficon bei der Dichtheitsprüfung befüllter Lithium-Ionen-Zellen tausendfach kleinere Lecks detektieren als herkömmliche Druckverfahren. Gleichzeitig liefert die neue Methode hochzuverlässige Ergebnisse, was das Helium-Bombing in dieser Anwendung nicht vermag.

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