Größere Präzision bei der Dichtheitsprüfung von EV-Batterien

Die Einwirkung von Wasserdampf ist ein Todesurteil für Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion), die in Hybrid-Elektro- und Elektrofahrzeugen (EVs) verwendet werden. Wenn Feuchtigkeit in die Batteriezelle eindringt und mit dem Elektrolyten reagiert, entsteht Säure. Und diese Säure kann eine exotherme Reaktion hervorrufen, die zu einem thermischen Durchgehen führt – einem internen Brand.

Eine katastrophale Zellschädigung ist ein Worst-Case-Szenario, aber jedes Zellleck, das das Eindringen von Säure ermöglicht, ist problematisch. „Wenn ein Säureleck weit verbreitet in der Packung ist, ist das sowohl ein Garantieproblem als auch ein unzufriedener Kunde“, sagte Thomas Parker, Vertriebsleiter für den Automobilmarkt bei Inficon, Hersteller von Instrumenten für die Gasanalyse.

Während die Verwendung eines Testgases und zugehöriger Ausrüstung heute für die Lecksuche von Batteriepacks üblich ist, ist das Auffinden eines Lecks auf Zellenebene eine völlig andere Aufgabe. Drei Haupttypen von Batteriezellen – zylindrisch, prismatisch und Pouch – werden derzeit in Elektrofahrzeugen verwendet, wobei Pouch-Zellen aufgrund ihres geringeren Gewichts immer beliebter werden. Die vakuumdruckbeaufschlagten Zellbeutel werden normalerweise von Arbeitern einer Sichtprüfung unterzogen, um festzustellen, ob sich während der Lagerung und des Versands etwas aufgebläht hat.

„Es ist wichtig zu wissen, dass ein Leck, das innerhalb einer Woche zu einem aufgeblähten Beutel führen würde, nicht die Größe eines Lecks widerspiegelt, das bei monate- oder jahrelangem Eindringen von Feuchtigkeit auftritt“, sagte Parker gegenüber Automotive Engineering von SAE Zeitschrift. „Wir wollen etwas über ein Leck wissen, das millionenfach kleiner ist, als ein visueller Test anzeigen würde.“

Technologielösung testen

Inficon behauptet, dass seine neu eingeführte ELT3000-Technologie Li-Ionen-Zellen-Lecks 1.000-mal kleiner erkennen kann, als dies mit herkömmlichen Testmethoden unter Verwendung von Prüfgasen möglich ist. Das Leckdetektionssystem verwendet eine Vakuumkammer, eine Gassteuereinheit und eine Gasdetektionseinheit. Inficon-Ingenieure haben die Software geschrieben, die die Gassteuereinheit und die Gaswarneinheit betreibt.

Die Verwendung eines Quadrupol-Massenspektrometers im System und die Art und Weise, wie die Vakuumkammer mit der Gaswarneinheit verbunden ist, unterstreichen die Einzigartigkeit des Prüfverfahrens. Das Unternehmen hat ein eingetragenes Patent für diese Lösung, bemerkte Dr. Daniel Wetzig, Forschungsleiter für Lecksuchwerkzeuge von Inficon.

Während des ELT300-Lecksuchverfahrens an elektrolytgefüllten Pouch-Zellen schützt das Prüfgerät den Weichzellen-Pouch. „Das System bietet eine schonende Verkapselung der Pouch-Zelle mit einer flexiblen Membran, sodass die zu testende Probe nicht beschädigt wird“, sagte Parker. Die Oberfläche der flexiblen Membran enthält eine Struktur, die als separate Grenzschicht dient. „Wir wollen, dass die Pouch-Zelle gemütlich und sicher ist. Wir möchten auch nicht, dass die flexible Membran ein Loch abdichtet und während des Tests im Wesentlichen ein Leck abdeckt“, erklärte er.

Laut den Entwicklern von ELT3000 bietet das System einen hochpräzisen Lecktest an Li-Ionen-Batteriezellen und steht damit im krassen Gegensatz zu herkömmlichen Testverfahren. „Der Hauptvorteil der Dichtheitsprüfung besteht darin, dass die Batteriezellen bereits mit Elektrolytlösungsmittel gefüllt sind, sodass keine Prüfgase benötigt werden“, so Wetzig. Der ELT3000 kann mit verschiedenen Arten von Elektrolytlösungsmitteln umgehen, einschließlich Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Polypropylen (PP). Inficon begann im Jahr 2020 mit der Einführung seiner Produktionsanlagen zur Erkennung von Batterielecks für Pouch-, prismatische und zylindrische Zellen.

Derzeitige herkömmliche Tests von leeren prismatischen oder zylindrischen Hartschalenzellen werden durchgeführt, indem die Zellen mit Heliumtestergas gefüllt werden, um Lecks zu erkennen, während sich die Zellen in einer Vakuumkammer befinden. Elektrolyte werden nach dem „trockenen“ Testen in die Zellen eingebracht. Eine weniger verbreitete Testmethode besteht darin, die mit Elektrolyt gefüllten Zellen in eine Vakuumkammer zu legen und die Zellen Helium unter Druck auszusetzen, was als „Heliumbomben“ bezeichnet wird. Leckagen werden erkannt, wenn das Prüfgas Helium in die Vakuumkammer entweicht.

Das Lecksuchsystem ELT3000 von Inficon wurde von den Forschern des Unternehmens in Köln unter Verwendung von Sensortechnologie aus dem nordamerikanischen Hauptsitz des Unternehmens in Syracuse, NY, entwickelt. Die Produktentwicklung erstreckte sich über 30 Monate. „Der Dichtigkeitstest des ELT3000 gibt eine klare Aussage über die Zelldichtheit und damit über die Lebensdauer der Batterie“, so Wetzig.