Elektromobilität Warum die Dichtheitsprüfung von Lithium-Ionen-Batteriezellen wichtig ist

Traktionsbatterien vollelektrischer Fahrzeuge bestehen aus Tausenden Lithium-Ionen-Zellen. Deren Dichtheit ist eine wichtige Qualitätsanforderung. Weder darf flüssige Elektrolytlösung austreten noch Luftfeuchtigkeit eindringen. Befüllte Zellen auf Dichtheit zu prüfen, ist allerdings keine triviale Aufgabe.

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Während der Motor in herkömmlichen Autos als das Herzstück gilt, ist es in Elektrofahrzeugen deren Batterie. Auch an der Wertschöpfung des Elektrofahrzeugs ist die Batterie zu wenigstens einem Viertel beteiligt. Damit die Traktionsbatterie die angestrebte Lebensdauer von zehn Jahren erreichen. müssen sie einwandfrei funktionieren und das bedeutet vor allem: dicht sein. Flüssige Elektrolytlösung darf nicht austreten, Luftfeuchtigkeit nicht eindringen. Hier kommen Dichtheitsprüfungen ins Spiel. Bislang gab es für solche Integritätstests nur indirekte Verfahren, die entweder zu unempfindlich oder zu unzuverlässig waren. Inficon hat eine Methode entwickelt, die bei der industriellen Herstellung von Batteriezellen auch kleine Lecks sicher erkennt. Denn das neue Prüfgerät weist austretendes Elektrolyt-Lösungsmittel direkt nach – in einer Vakuumkammer.

Diese Lithium-Ionen-Zellen gibt es:

Lithium-Ionen-Zellen für Traktionsbatterien lassen sich nach ihren Gehäuseformen unterscheiden. Zum einen gibt es Zellen mit starren, stabilen Gehäusen. Dazu zählen die sogenannten prismatischen Zellen und die Rundzellen. Die andere Kategorie bilden Zellen mit einem weichen, taschenartigen Äußeren: die sogenannten Pouch-Zellen. Zwei Schadensmechanismen sind all diesen Zelltypen gemeinsam. Tritt Elektrolyt aus der Zelle aus, reduziert sich ihre Kapazität – die Lebensdauer der Batterie verkürzt sich. Und wenn Luftfeuchtigkeit in die Zelle eindringt, kann der Elektrolyt mit Wasser zu Flusssäure reagieren – was zu weiteren Lecks im Gehäuse der Zelle führt und ihre Lebensdauer noch stärker reduziert.

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Bei den weichen Pouch-Zellen gibt es noch einen weiteren Schadensmechanismus. Denn alle Zelltypen – ob prismatische, Rund- oder Pouch-Zellen – werden in der Regel mit einem Druck von weniger als einer Atmosphäre mit Elektrolyt befüllt, in der Zelle herrscht Unterdruck. Hat nun eine weiche Pouch-Zelle ein Leck, bläht sie sich durch die eindringende Luft auf, büßt mechanische Stabilität ein und verliert schon dadurch an Kapazität.

Diese Probleme gibt es bei bisherigen Prüfverfahren:

Druckabfallprüfung

Bisher wurden Dichtheitsprüfungen an betriebsbereit befüllten Zellen entweder durch die Unempfindlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt – wie bei der Druckabfallprüfung – oder durch dessen Unzuverlässigkeit – wie beim Helium-Bombing. 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∙l/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.

Helium-Bombing

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 anschließend, 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.

Schnüffelecksuche

Da die Elektrolytlösung nie bis zu einem atmosphärischen Druck in die Zellen gefüllt wird, versagt in diesem 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. Nur 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 bzw. 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.

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So funktioniert die neue Prüfmethode von Inficon:

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. Der neue ELT3000 von Inficon nutzt genau diesen Umstand. Das Prüfgerät 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 und Rundzellen, wie an den weichen Pouch-Zellen.

Was Leckrate und Leckdurchmesser bedeuten:

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∙10^-6 mbar∙l/s nach.

Bei weichen Pouch-Zellen mit 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 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 µm 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.

Das neue Prüfsystem im Detail:

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 vorwiegend manuelle Tests an prismatischen 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 Zellinnern, das mit Elektrolyt unter einem Druck von einigen Hundert mbar 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.

Technik kurz erklärt

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Warum erstmals eine Vakuumprüfung an weichen Pouch-Zellen möglich ist:

Bislang waren Vakuumprüfungen an den weichen Pouch-Zellen unmöglich, denn die Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Zelle und dem Vakuum der Prüfkammer hätten die Zellen verformt und beschädigt. Mit seiner flexiblen Prüfkammer FTC3000 hat Inficon dieses Problem gelöst. Denn eine Folienmembran schmiegt sich während der Evakuierung eng an die Zelloberfläche und stabilisiert so die empfindlichen Zellen. Die Verformung oder gar ein Platzen der Pouch-Zelle werden so verhindert, die schnelle und zuverlässige Vakuumprüfung wird möglich. Durch die flexible Membran reduziert sich zudem das Totvolumen der Prüfkammer, was wiederum die Evakuierung beschleunigt. Auch für Entwicklungsabteilungen, die mitunter Zellprototypen unterschiedlichster Form auf ihre Dichtheit testen müssen, ist die flexible Prüfkammer ein interessantes Werkzeug.

Wie man Testergebnisse dem konkreten Prüfling zuweist:

Mithilfe des speziellen Inficon-E-Check-Testlecks lässt sich das Prüfgerät kalibrieren – für verschiedene Lösungsmittel. Das Nachweissystem vergleicht das Ergebnis jeder Prüfung mit einem zuvor definierten Trigger-Wert und zeigt Lecks sofort an. Auch Testergebnisse dem konkreten Prüfling zuzuweisen, ist einfach möglich. 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.

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So lange dauert ein Prüfzyklus:

Inficon hat das Prüfgerät so konzipiert, dass es sich für manuelle Arbeitsplätze in der Entwicklungsabteilung ebenso eignet wie für die gleichzeitige Prüfung mehrerer Zellen in automatisierten Fertigungslinien. Für einen industriellen Einsatz bietet es sich allerdings an, die Prüfkammer individuell auszulegen. Die Dauer eines Prüfzyklus hängt letztlich von der Größe der Prüfkammer ab und davon, ob ein Anwender diverse Schutzmechanismen wie etwa eine Spülphase zwischen zwei Zyklen nutzen möchte. Typischerweise bewegt sich die Taktzeit der Prüfung bei den kleineren Kammern, wie sie Inficon selbst anbietet, im Bereich von 30 bis 60 Sekunden. 10 bis 30 Sekunden davon sind Abpumpzeit, und 10 Sekunden benötigt der eigentliche Messvorgang.

Getriebe

Zykloidgetriebe für die Batteriefertigung

Für Prüfungen in großen Kammern empfiehlt es sich, zusätzliche externe Pumpen für die Grobevakuierung einzusetzen, um die Zykluszeiten zu reduzieren. Gerade bei der industriellen Zellfertigung ist es sinnvoll, eine größere, individuell ausgelegte Kammer automatisiert zum Beispiel per Roboterarm zu beschicken und mehrere Dutzend Zellen in einem Batch zu testen. Für Systemintegratoren ist es keine besondere Herausforderung, solche Vakuumkammern auszulegen und in Prüfanlagen zu integrieren. Auch für die Automatisierung flexibler Prüfkammern arbeitet Inficon mit Systemintegratoren zusammen.

Zusammengefasst:

Dank seiner Massenspektrometer- und Vakuummethode kann das neue Gerät von Inficon bei der Dichtheitsprüfung befüllter Lithium-Ionen-Zellen tausendfach kleinere Lecks detektieren als herkömmliche Druckverfahren. Gleichzeitig liefert die neue Methode hochzuverlässige Ergebnisse, anders als das Helium-Bombing. Der direkte Nachweis austretenden Elektrolyt-Lösungsmittels soll der Qualitätssicherung bei der Zellfertigung neue Möglichkeiten eröffnen.

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