Verbesserte Genauigkeit bei EV-Batterie-Lecktests für sicherere Lithium-Ionen-Packs

Feuchtigkeit ist der Todesstoß für die Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion), die in Hybrid- 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 auslösen, die zu einem thermischen Durchgehen führt – einem internen Brand.

Katastrophale Zellschäden sind das Worst-Case-Szenario, aber jede Zellleckage, die Säureeintritt erlaubt, ist problematisch. „Wenn ein Säureleck im gesamten Pack verbreitet ist, ist das sowohl ein Garantieproblem als auch ein unzufriedener Kunde“, sagte Thomas Parker, Automotive Market Sales Manager bei Inficon, Hersteller von Instrumenten für Gasanalyse.

Während der Einsatz von Prüfgas und zugehöriger Ausrüstung heute gängig für die Leckdetektion an Batteriepacks ist, ist das Auffinden eines Lecks auf Zellebene eine völlig andere Aufgabe. Drei Haupttypen von Batteriezellen – zylindrisch, prismatisch und Beutelzellen – werden derzeit in EVs eingesetzt, wobei Beutelzellen aufgrund ihres geringeren Gewichts an Popularität gewinnen. Die vakuum-druckbeaufschlagten Beutelzellen werden typischerweise von Arbeitern visuell inspiziert, um festzustellen, ob sie sich während Lagerung und Versand nach außen gewölbt haben.

„Es ist wichtig zu wissen, dass ein Leck, das eine geschwollene Beutelzelle innerhalb einer Woche verursacht, nicht die Größe eines Lecks widerspiegelt, das durch Feuchteeintritt über Monate oder Jahre auftritt“, sagte Parker dem SAE-Magazin Automotive Engineering. „Wir wollen über ein Leck Bescheid wissen, das eine Million Mal kleiner ist als das, was ein visueller Test anzeigen würde.“

Testtechnologie-Lösung

Inficon behauptet, dass seine neu veröffentlichte ELT3000-Technologie Li-Ion-Zellenlecks 1.000-mal kleiner detektieren kann als mit herkömmlichen Testmethoden unter Verwendung von Prüfgasen möglich ist. Das Leckdetektionssystem besteht aus einer Vakuumkammer, einer Gaseinheit und einer Gasdetektionseinheit. Inficon-Ingenieure schrieben die Software, die die Gaseinheit und die Gasdetektionseinheit steuert.

Der Einsatz eines Quadrupol-Massenspektrometers und die Art, wie die Vakuumkammer mit der Gasdetektionseinheit verbunden ist, heben die Einzigartigkeit der Testmethode hervor. Das Unternehmen hat ein registriertes Patent für diese Lösung, bemerkte Dr. Daniel Wetzig, Inficons Forschungsleiter für Leckdetektionswerkzeuge.

Während des ELT300-Leckdetektionsprozesses an elektrolytgefüllten Beutelzellen schützt die Testausrüstung den weichen Beutel. „Das System bietet eine sanfte Einkapselung der Beutelzelle mit einer flexiblen Membran, sodass das zu testende Exemplar nicht beschädigt wird“, sagte Parker. Die Oberfläche der flexiblen Membran umfasst eine Struktur, die als separate Grenzschicht dient. „Wir wollen, dass die Beutelzelle gemütlich und sicher ist. Wir wollen auch nicht, dass die flexible Membran ein Loch abdichtet und damit ein Leck während des Tests verdeckt“, erklärte er.

Laut den Entwicklern des ELT3000 bietet das System einen hochpräzisen Lecktest an Li-Ion-Batteriezellen, der im starken Kontrast zu traditionellen Testverfahren steht. „Der Hauptvorteil des Lecktests ist, dass die Batteriezellen bereits mit Elektrolytlösungsmittel gefüllt sind, sodass keine Prüfgase benötigt werden“, stellte Wetzig fest. Der ELT3000 kann verschiedene Arten von Elektrolytlösungsmitteln handhaben, einschließlich Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Polypropylen (PP). Inficon begann 2020 mit der Auslieferung seiner Batterie-Leckdetektions-Produktionsausrüstung für Beutel-, prismatische und zylindrische Zellen.

Die aktuelle konventionelle Prüfung leerer Hartgehäuse-Prismatischer oder zylindrischer Zellen erfolgt durch Befüllen der Zellen mit Helium-Prüfgas, um Lecks zu detektieren, während die Zellen in einer Vakuumkammer sind. Elektrolyte werden nach dem „trockenen“ Test in die Zellen eingefüllt. Eine weniger gängige Testmethode besteht darin, die elektrolytgefüllten Zellen in eine Vakuumkammer zu geben und sie unter Druck Helium auszusetzen, was als „Helium-Bombardierung“ bezeichnet wird. Lecks werden detektiert, wenn das Helium-Prüfgas in die Vakuumkammer entweicht.

Inficons ELT3000-Leckdetektionssystem wurde von den Forschern des Unternehmens in Köln, Deutschland, unter Verwendung von Sensortechnologie vom nordamerikanischen Hauptsitz in Syracuse, NY, entwickelt. Die Produktentwicklung erstreckte sich über 30 Monate. „Der ELT3000-Lecktest gibt eine klare Antwort über die Zelldichtheit und damit über die Lebensdauer der Batterie“, so Wetzig.