Die Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen nimmt in Deutschland Fahrt auf. Die Automobilindustrie will die historische Dominanz von Batterieherstellern aus Südostasien reduzieren – schon weil in der Elektromobilität ein Großteil der Wertschöpfung mit den Batterien und besonders mit deren kleinsten Einheiten, den Batteriezellen, zu tun hat. Für eine Massenfertigung von Batteriezellen ist eine konsequente Qualitätssicherung entscheidend: Die Zellengehäuse müssen unbedingt dicht sein. Denn ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit oder ein Austreten von Elektrolyt führen dazu, dass die Zellen ihre Kapazität verlieren. Es wird in Zukunft darauf ankommen, die Dichtheitsprüfungen konsequent zu automatisieren, an den relevanten Schritten im Fertigungsprozess. Nötig sind Prüfungen im Takt der Produktion – für jede einzelne Zelle.
Dies betrifft zum Beispiel die Vorprüfung der Dichtheit von Hardcase-Zellen. Feste Zellengehäuse auf ihre Dichtheit zu prüfen, bevor man sie mit Elektrolyt befüllt – sei dies bei der Fertigung klassischer Lithium-Ionen- oder moderner Natrium-Ionen-Zellen –, vermeidet es, bereits befüllte Batteriezellen verschrotten zu müssen. Auch wird kein Elektrolyt mehr daran verschwendet, undichte Zellen zu befüllen. Für solch eine Vorprüfung der Gehäuse von Hardcase-Zellen (hier gibt es prismatische oder Rundzellen) empfiehlt sich die Helium-Vakuummethode. Zunächst wird dafür das assemblierte Batteriezellengehäuse evakuiert und mit Helium als Prüfgas befüllt. Nun lässt sich die Dichtheit des Zellgehäuses in einer Vakuumkammer prüfen, die ebenfalls evakuiert wird. Durch Lecks in fehlerhaften Gehäusen wird nun Helium in das Vakuum der Kammer austreten, wo es durch industrielle Dichtheitsprüfgeräte detektierbar ist.
Nur auslaufsichere Zellen gelangen zur Formierung
Zudem empfiehlt es sich, bereits befüllte Zellen noch vor der Formierung zu testen, um keine Fertigungskapazitäten zu verschwenden und die Sicherheit zu steigern. Wenn Batteriezellen auch nach dem Befüllen und damit vor dem Formierungsschritt einer Dichtheitsprüfung unterzogen werden, ist sichergestellt, dass nur auslaufsichere Zellen zur Formierung gelangen. Diese Prüfung reduziert zum einen das grundsätzliche Sicherheitsrisiko, das besonders bei Lithium-Ionen-Zellen mit der Formierung verbunden ist, und verhindert zum anderen, dass Formierungskapazitäten und -aufwände verschwendet werden. Sogar ein erneuter Test der bereits vorgeprüften Hardcase-Batteriezellen kann hier sinnvoll sein.
Allerdings ist für die Prüfung befüllter Zellen die beschriebene Methode mit Helium-Prüfgas ungeeignet. Stattdessen empfiehlt sich ein neues, von Inficon entwickeltes Verfahren, das austretendes Elektrolytlösungsmittel direkt nachweist. Für diese direkte Elektrolyt-Dichtheitsprüfmethode werden die gefüllten und versiegelten Batteriezellen in eine Vakuum-Prüfkammer gelegt. Wird diese Kammer nun evakuiert, entweicht Elektrolyt durch etwaige Lecks. Das Elektrolytlösungsmittel verdampft dann im Vakuum und wird von einem hochempfindlichen Sensor erkannt. Mit dieser direkten Elektrolyt-Nachweismethode lassen sich Lecks im Mikrometerbereich erkennen.
Ein weiterer Tipp betrifft eine erneute Dichtheitsprüfung nach der Formierung. Diese ist vorteilhaft, wenn der Hersteller sicherstellen möchte, dass nur wirklich dichte Zellen in den Weitertransport gelangen. Bei den weichen Pouch-Zellen ist die Prüfung nach der Formierung sogar unverzichtbar. Denn bei ihnen gestaltet sich der Fertigungsablauf etwas anders als bei Hardcase-Zellen. Nach der Befüllung mit Elektrolyt werden Pouch-Zellen in einem Vakuum versiegelt. Diese Versiegelung ist aber noch nicht endgültig. Denn während der Formierung entsteht im Innern der Pouch-Zellen Gas, das sich in einer Gastasche sammelt, die noch mit der Zelle verbunden ist. Erst im Anschluss an die Formierung wird die Gastasche mit dem überschüssigen Gas entfernt, und erst dann erhält die Pouch-Zelle ihre endgültige Versiegelung.
Die Qualitätssicherung verlangt also eine Dichtheitsprüfung nach diesem Prozessschritt. Und die einzige Option dafür ist die direkte Elektrolyt-Dichtheitsprüfung. Nur so lassen sich auch Lecks identifizieren, die durch das Handling der empfindlichen Pouch-Zellen entstanden sein könnten. Zudem ist nur so dafür gesorgt, dass keine undichten Zellen weitertransportiert werden – ein Aspekt, der nicht nur bei Pouch-Zellen, sondern auch bei allen Hardcase-Zellen zum Tragen kommt.
Qualitätssicherung mit reduzierten Zykluszeiten
Die Qualitätssicherung bei der Massenfertigung von Batteriezellen verlangt es, tatsächlich jede einzelne Zelle auf ihre Dichtheit zu prüfen. Dies ist nur möglich, wenn die Dichtheitsprüfstationen automatisiert sind und im Takt der Produktion arbeiten. Dafür lassen sich die Zykluszeiten der direkten Elektrolyt-Dichtheitsprüfung so weit wie möglich reduzieren. Es gibt eine ganze Reihe von Maßnahmen, die die Prüfung beschleunigen können. Ein Faktor, der sich auf die Zykluszeit der Prüfung auswirkt, ist die Größe der Vakuumkammer – genauer gesagt: die Größe des um den Prüfling herum verbleibenden Totvolumens. Im Idealfall ist dieses Totvolumen so klein wie möglich, damit sich die erforderliche Evakuierungszeit reduziert.
An den Prüfstationen besonders leistungsstarke externe Vakuumpumpen einzusetzen, kann ebenfalls dazu dienen, die Evakuierung stark zu beschleunigen. Die Zellen bereits vor dem eigentlichen Test von Elektrolytresten zu reinigen, die nach dem Befüllen gegebenenfalls auf den Gehäusen verblieben sind, verlegt den erforderlichen Reinigungsschritt – etwa in Gestalt einer Laserreinigung – vor den eigentlichen Prüfablauf. Last but not least: Auch eine Multi-Kammer-Prüfstation kann die Zykluszeit noch einmal deutlich reduzieren. Denn das Elektrolyt-Dichtheitsprüfgerät arbeitet dann in einer Prüfstation nicht nur mit einer, sondern mit mehreren Vakuumprüfkammern. Das Prüfgerät muss nicht mehr abwarten, bis eine Kammer beschickt oder evakuiert ist, sondern befindet sich stattdessen nahezu kontinuierlich im Messbetrieb.
Die Zykluszeit der Prüfung zu verkürzen, ist der eine relevante Aspekt bei einer Massenprüfungsstrategie; der andere ist es, den Durchsatz an den Prüfstationen zu erhöhen. Hier ist ein Batch-Testing-Ansatz empfehlenswert. Beim Batch-Testing wird bei jedem Prüfvorgang eine größere Zahl von Batteriezellen gleichzeitig geprüft. Dadurch reduziert sich die effektive Prüfzeit für die einzelne Zelle – der Durchsatz steigt sehr deutlich. Wird in einem spezifischen Batch ein Leck detektiert, fallen allerdings weitere Testrunden in einer nachgelagerten Prüfstation an. Dabei wird die Chargengröße so lange halbiert, bis die undichte Zelle in einem Batch der Größe eins identifiziert ist. Deswegen ist es bei einer Batch-Testing-Strategie erforderlich, die optimale Batchgröße zu berechnen, damit die initiale Verbesserung beim Durchsatz nicht durch den Nachprüfungsbedarf wieder zunichtegemacht wird. Der zentrale Faktor dafür ist die typische Fehlerrate in der Produktion.
Webhinweis
In diesem Video erklärt Inficon am Beispiel einer zylindrischen Zelle, wie Lithium-Ionen-Batterien auf Lecks geprüft werden:
Whitepaper
Weitere Informationen zur Optimierung der Batteriefertigung liefert ein Whitepaper von Inficon mit dem Titel „24 Tipps, mit denen Sie Ihre Batterieproduktion ganz konkret verbessern“:
