Dichtheit von Batteriezellen Moderne Prüfgasverfahren und neue GTAS-Glasdichtungen

Dichtheit von Batterien nehmen direkten Einfluss auf Kapazität und Lebensdauer. Eine Verbesserung erzielt man durch neue Konstruktionsmethoden.
Dichtheit von Batterien nehmen direkten Einfluss auf Kapazität und Lebensdauer. Eine Verbesserung erzielt man durch neue Konstruktionsmethoden.

Das Herzstück eines Elektroautos ist die Batterie. Die Dichtheit von Batteriezellen hat wiederum direkten Einfluss auf Kapazität und Lebensdauer. Prüfgasverfahren eignen sich dazu, die Grenzleckraten zu prüfen. Aber auch neue Konstruktionsmethoden können die Dichtheit der Zellen verbessern.

Traktionsbatterien machen bis zu einem Drittel des Werts eines Elektrofahrzeugs aus. Zudem sind die Antriebsbatterien erfolgskritische Verschleißteile und sogar potenzielle Gefahrenquellen beim Betrieb, denn der Elektrolyt in den Batteriezellen ist brennbar. Als angestrebter Standard für die Lebensdauer einer Traktionsbatterie gilt, dass sie nach 10.000 Ladezyklen noch über 80 Prozent ihrer Kapazität verfügen soll – ein ehrgeiziges Ziel im Straßenalltag der Elektrofahrzeuge. Um eine lange Lebensdauer zu erreichen, ist es unerlässlich, dass der Elektrolyt aus den Batteriezellen keinesfalls austritt und auch kein Wasser beziehungsweise Luftfeuchtigkeit in die Zelle eindringen – weil der Elektrolyt dann mit Wasser zu Flusssäure reagieren könnte (Bild 1).

Die einzelnen Batteriezellen müssen daher zwingend gasdicht ausgeführt sein. Denn eine undichte Zelle rutscht schon nach weniger Ladezyklen als den angestrebten 10.000 aus ihrem Normbereich für die Kapazität. Und eindringende Luftfeuchtigkeit kann die Batteriezelle auf Dauer sogar vollständig beschädigen.

Der Dichtheitsprüfung kommt daher bereits bei der Fertigung der einzelnen Batteriezellen eine entscheidende Rolle zu. Zudem ermöglichen heute neue Deckel-Designs die Dichtigkeit von Batteriezellen zu verbessern.

Zellen in verschiedenen Bauform

Bei der Glass-to-Aluminium-Seal-Technik (GTAS) werden Batterieelektroden eingeglast, was konventionelle Kunststoffabdichtungen überflüssig macht und ein Eindringen von Feuchtigkeit dauerhaft vermeidet. Batteriezellen werden üblicherweise in den drei nachfolgenden Bauformen gefertigt:

  • Prismatische Zellen (stabiles Gehäuse)
  • Rundzellen (stabiles Gehäuse)
  • Pouch-Zellen (flexibles Gehäuse)

Unabhängig der Bauform muss der Hersteller die Batteriezellen nach der Füllung mit Elektrolyt und der Versiegelung das Gehäuse auf Dichtheit prüfen, um ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit auszuschließen. Dafür sind in der Fertigung Tests gegen Grenzleckraten im Bereich von 10-5 bis 10-6 mbar l/s erforderlich. Ältere Testverfahren wie beispielsweise das Wasserbad, Lecksuchsprays oder eine Druckabfallmessung sind bei den sehr kleinen Leckraten nicht geeignet. Für die Qualitätssicherung in der Fertigung empfiehlt sich vielmehr eine moderne, integrale Prüfgasmethode: Eine Vakuumkammer mit Helium als Prüfgas. Oft wird der Elektrolytfüllung der Zellen bereits eine kleine Menge Helium (drei bis fünf Prozent) zugegeben, damit der Prüfling das Prüfgas bereits enthält.

Helium-Prüfung in der Vakuumkammer

Gerade in Fertigungslinien hat die Helium-Prüfung in der Vakuumkammer entscheidende Vorzüge: Es ist ein hochautomatisiertes und hochgenaues Prüfverfahren mit sehr kurzen Taktzeiten, das von Bedienereingriffen unabhängig ist. Viele Hersteller von Batteriezellen führen bereits nach der Fertigung der Gehäuse die erste Dichtheitsprüfung mit der Vakuummethode durch. Die festen Gehäuse von prismatischen und Rundzellen werden dazu evakuiert, wieder mit 100 Prozent Helium befüllt und versiegelt. Die Zelle wird anschließend in einer Vakuumprüfkammer platziert, die evakuiert wird. Danach wird gemessen, wie viel Helium in einem gegebenen Zeitraum aus der Zelle austritt. Nach der Ermittlung der Leckrate lässt sich das Helium aus der Zelle zurückgewinnen. Bei dem Gehäusetest liegt die Grenzleckrate bei 10-5 mbar l/s. Es ist auch möglich, die Heliumkonzentration zu reduzieren, indem das Prüfgas mit trockener Luft oder mit Stickstoff gemischt wird. Für Vortests an den beutelartigen Gehäusen von Pouchzellen wird mit einer Helium-Schnüffelspitze an den Siegelnähten der Zelle entlanggefahren.

Polkontaktstifte als Schwachstellen

Prismatische Zellen haben eine Reihe potenzieller Schwachstellen. Die erste ist die Versiegelung zwischen dem Deckel der Zelle (durch den die Anoden- und Kathoden-Kontakte geführt sind) und dem Korpus der Zelle, der häufig aus tiefgezogenem Aluminium in einem Stück gefertigt wird. Die Aluminium-Deckelplatte der prismatischen Zellen sowie die Befüllöffnung und das Sicherheitsventil werden per Laser verschweißt, was in der Regel für eine dauerhaft dichte Verbindung sorgt. Problematischer sind hier andere Bauteile des Deckels, weil dort Polymerdichtungen bei beiden Polkontaktstiften zum Einsatz kommen. Da bei allen organischen Materialien – Polymerdichtungen eingeschlossen – früher oder später ein Alterungsprozess einsetzt, ist die Gefahr hoch, dass die geforderte Dichtheit beeinträchtigt wird. Vor diesem Hintergrund werden bereits seit Jahrzehnten erfolgreich verschiedene Lithium-Batterietypen eingesetzt, die mit Glas-Metall-Deckeln gefertigt sind – beispielsweise Lithium-Thionylchlorid-Batterien mit hoher Lebensdauer und hoher Leistung.

Neue Technik: Glass-to-Aluminium-Seals

Die Problemstellen im Deckel der prismatischen Zelle lassen sich durch einen konstruktiven Ansatz beseitigen: Die sogenannten Glass-to-Aluminium-Seals (GTAS). Das Prinzip, Glas als Dichtungsmaterial für Metalle einzusetzen, ist an sich nicht neu. Die Glass-to-Metal-Seals (GTMS) sind eine seit langem etablierte Massenmarkt-Anwendung und werden bereits im Automotive-Bereich in hohen Stückzahlen eingesetzt – etwa in klassischen Lithium-Thionylchlorid-Batterien, Sensoren und Steuermodulen.
Die Erfahrungen mit der Technik und die großen Datenmengen zur Sicherheit der Glas-zu-Metall-Dichtungen lieferten die Basis, um die neuen Glas-zu-Aluminium-Dichtungen für prismatische Zellen zu entwickeln. Ein Spezialglas ermöglicht die GTAS-Dichtungen, dessen Zusammensetzung sorgfältig an die Eigenschaften von Aluminium angepasst ist. So wurden die Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Materialien genau aufeinander abgestimmt.

Die robuste Kompressionsversiegelung

Da das Spezialglas einen definierten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, entsteht durch die neue GTAS-Technik eine ebenso undurchdringliche wie dauerhafte Dichtung – nach dem Prinzip der Kompressionsversiegelung.

Um die beiden Polkontaktstifte, die aus Aluminium oder Kupfer bestehen, wird ein vorgefertigter Ring aus Spezialglas gelegt. Den Ring wiederum umgibt ein größerer Ring aus Aluminium. Werden die beiden Materialien beim Fügevorgang erwärmt, dehnt sich das Aluminium schneller aus als das Glas. Wenn sich die Materialien anschließend wieder abkühlen, drückt das Aluminium von außen gegen den Glasring, durch den der Polkontaktstift geführt ist. Der Druck sorgt für eine mechanisch sehr starke Versiegelung.

In einem Anwendungsfall wie dem der Traktionsbatterie, in dem die Batteriezellen besonders robust und langlebig sein müssen, kann das entscheidend zur Lebensdauer beitragen.Die GTAS-Technik reduziert zudem die Komplexität der Konstruktion der Zellen. Im Deckel einer herkömmlichen prismatischen Zelle sindoft bis zu elf verschiedene Komponenten verbaut, aus Kunststoff, Kupfer und Aluminium. In einem Deckel mit GTAS-Technik (Bild 2 oben) gibt es für jeden Polkontakt nur noch nachfolgende Bauteile (Bild 2 unten, von links nach rechts):

  • Kontaktstift aus Aluminium oder Kupfer
  • Dichtungsring aus Spezialglas
  • Ring aus Aluminium

So kann eine weniger komplexe Konstruktion für eine zuverlässige Gasdichtheit einer prismatischen Zelle sorgen. Der Einsatz der GTAS-Technik an den Polkontakten und ein sorgfältiges Laserschweißen des Deckels an den Korpus der Zelle sind zwei wesentliche Faktoren, um die Langlebigkeit einer prismatischen Batteriezelle zu erhöhen.

Elektromobilität erfordert Qualität

Die Batteriezellen sind die kleinsten Bauelemente einer Traktionsbatterie und machen rund 60 Prozent von deren Wert aus. Eine entsprechend hohe Bedeutung kommt daher der Qualitätssicherung zu. Aber auch auf den weiteren Stufen der Fertigung sind Dichtheitsprüfungen erforderlich – wenn die Batteriezellen zu Batteriemodulen und anschließend wiederum zu Batteriepacks zusammengeschlossen werden. Von außen darf schon wegen der Kurzschlussgefahr kein Wasser in die Gehäuse von Modulen oder Packs eindringen. Um die Gehäuse auf ihre Dichtheit zu prüfen, bedarf es allerdings keiner Helium-Prüfung in der Vakuumkammer wie bei den Batteriezellen. Hier ist eine Schnüffellecksuche sinnvoller, die als Prüfgas entweder Helium oder Formiergas verwendet und auch automatisiert (per Roboterarm) durchgeführt werden kann. Zudem darf eine Traktionsbatterie nie überhitzen – darum muss auch der Kühlkreislauf der Antriebsbatterie vor Kältemittelverlust geschützt und dicht sein. Das stellt man nach dem endgültigen Einbau der Batterie üblicherweise durch eine Schnüffellecksuche sicher, bei der das Kältemedium selbst (R1234yf oder CO2) als Prüfgas zum Einsatz kommt.

Mit der zunehmenden Elektromobilität ergeben sich für Zulieferer und Hersteller etliche neue Dichtheitsanforderungen. Daher ist es empfehlenswert, die Herausforderungen aus beiden Richtungen in Angriff zu nehmen: Durch eine intelligente Konstruktion der Komponenten und durch eine konsequente Dichtheitsprüfung.

 

Die Autoren

Dr. Daniel Wetzig

ist Leiter der Forschung und Grundlagenentwicklung bei Inficon. Er ist seit mehr als 18 Jahren bei Inficon tätig und durchlief vor seiner jetzigen Tätigkeit die F&E-Organisation als Ingenieur, technischer Spezialist und Projektleiter. Dr. Wetzig ist Autor zahlreicher Aufsätze zur kommerziellen beziehungsweise industriellen Lecksuche mit Helium- und Tracergasdetektion und hält mehrere Patente für die Technologie.

 

Helmut Hartl

ist Leiter der Forschung und Entwicklung bei der Automotive Division bei Schott in Landshut und besitzt umfangreiche Kompetenz im Bereich der Glas-zu-Metall-Dichtungs-Technologie, besonders im Bereich von Automobil- und Batterieanwendungen. Herr Hartl hat eine Reihe von Arbeiten publiziert und ist Inhaber zahlreicher Patente zu Technologien und ihren Anwendungen. Er hat in Wien Maschinenbau und Elektrotechnik studiert und arbeitet seit mehr als 40 Jahren im Bereich des Glass-to-Metal-Sealing.