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Batteriezellen auf Dichtheit testen

Im Vakuum zur Lecksuche

20. April 2021, 11:05 Uhr   |  Von Sandra Seitz, Redaktion: Ute Häußler

Im Vakuum zur Lecksuche
© Shutterstock

Das Herzstück von Elektrofahrzeugen ist die Batterie. Die Dichtheit der Lithium-Ionen-Zellen trägt dabei zu hoher Sicherheit und langer Lebensdauer bei. Doch die Qualitätsprüfung ist schwierig, Tests zur Integrität sind oft wenig präzise. Ein neues Verfahren setzt auf eine Vakuumkammer zum Testen.

An der Wertschöpfung eines Elek­trofahrzeugs ist der Batteriepack zu wenigstens einem Viertel beteiligt. Die Traktionsbatterien vollelektrischer Fahrzeuge bestehen derzeit aus Tausenden Lithium-Ionen-Zellen. Deren Dichtheit ist eine wichtige Qualitäts­anforderung. Weder darf aus einer Zelle die flüssige Elektrolytlösung austreten noch darf Luftfeuchtigkeit in sie eindringen. Befüllte Lithium-Ionen-Zellen auf Dichtheit zu prüfen, ist allerdings keine triviale Aufgabe. Bislang gab es für solche Integritätstests nur indirekte Verfahren, die entweder zu unempfindlich oder zu unzuverlässig waren. Eine neue Methode in der industriellen Herstellung von Batteriezellen erkennt auch kleine Lecks sicher. In einer Vakuumkammer weist das neue Prüfgerät austretendes Elektrolyt-Lösungsmittel direkt nach (Bild 1).

Dichheit Batteriezellen Lithium-Ionen Automotive Testen
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Bild 1. Funktionsweise der neuen Messmethode mit flexibler Kammer: Pouch-Zellen werden zwischen den Membranen eingelegt, die beim Abpumpen eine maßgeschneiderte Kammer formen.

Versagensmodi für Batteriezellen

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. 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, besonders niedrig ist er in Pouch-Zellen. 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.

Problematisches Druckverfahren

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 Phantomlecks.

Ungeeignetes 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 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.

Schnüffellecksuche scheitert

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 Grad Celsius – 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.

Lösungsmittelleck direkt nachweisen

Diesen Effekt macht sich die 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 setzt auf genau diesen Umstand und 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 verwendet werden. Die neue Methode ermittelt ebenso Lecks an Lithium-Ionen-Zellen mit starren Gehäusen (Bild 2), also an prismatischen und Rundzellen, wie auch an den weichen Pouch-Zellen.

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1. Im Vakuum zur Lecksuche
2. Wie Sie die Leckrate für alle Zelltypen bestimmen

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