Kein Unternehmen will Lithium-Ionen-Akkus in der Garantiezeit ersetzen. Eine neue Methode Lecks in Batteriezellen aufzuspüren, schafft Abhilfe.

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Dichtheitsprüfung Effektive Qualitätssicherung in der Batteriefertigung

29.11.2021

Viele Hersteller peilen bei ihren Batterien eine Lebenserwartung von drei bis fünf Jahren an. Um die sicherzustellen, darf aus einer Batteriezelle weder flüssige Elektrolytlösung austreten noch Luftfeuchtigkeit eindringen – der Elektrolyt könnte mit Wasser zu Flusssäure reagieren. Befüllte Lithium-Ionen-Zellen in der Produktion auf Dichtheit zu prüfen, ist allerdings eine Herausforderung.

Imageprobleme wegen frühzeitig versagender oder gar brennender Akkus: Die möchte jeder Hersteller im Marktsegment Computer, Communication und Consumer Electronics vermeiden. Auch will in der 3C-Branche niemand Lithium-Ionen-Akkus noch in der Garantiezeit tauschen müssen. Eine innovative Methode kann jetzt kleinste Lecks in Batteriezellen, durch die Elektrolyt-Lösungsmittel austritt, direkt nachweisen.

Versagensmodi für Batteriezellen

Lithium-Ionen-Zellen lassen sich nach ihren Gehäuseformen unterscheiden. Zum einen gibt es Zellen mit starren, stabilen Gehäusen. Dazu zählen die Rund- und die Knopfzellen. Die andere Kategorie bilden Zellen mit einem weichen, taschenartigen Äußeren: 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. Alle Zelltypen werden in der Regel maximal bis zu atmosphärischem Druck mit Elektrolyt befüllt. In Rund- und Knopfzellen mit festem Gehäuse herrscht ein Druck nahe Atmosphärendruck, bei Pouch-Zellen mit weichem Gehäuse strebt man sogar einen deutlichen Unterdruck an. Lecks in Pouch-Zellen führen deshalb auch noch dazu, dass diese sich mit eindringender Luft füllen – und so mechanische Stabilität und Kapazität verlieren.

Ungenaue Druckabfallprüfung

Bisher wurden Dichtheitsprüfungen an betriebsbereit befüllten Zellen entweder durch die Unempfindlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt – wie bei der Druckabfallprüfung – oder durch die Unzuverlässigkeit in dieser Anwendung – 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, ob sich Druckveränderungen 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 allerdings seine Anfälligkeit für Temperaturschwankungen. Steigt die Temperatur während der Prüfung nur um Bruchteile eines Grads, bleiben Lecks unerkannt, fällt dagegen die Temperatur, ermittelt die Druckabfallprüfung Phantom-Lecks.

Unzuverlässiges Helium-Bombing

Das Helium-Bombing ist eine Methode, die zwar prinzipiell eine hohe Empfindlichkeit mitbringt, sich aber in diesem speziellen 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. Allerdings sind für den Erfolg der Bombing-Methode die genaue Leckstelle und die Position der Batteriezelle entscheidend. Das leichte Heliumgas steigt unter Umständen im flüssigen Elektrolyt auf und liegt dann nicht mehr unmittelbar vor der Leckstelle. Bei der abschließenden Prüfung tritt anstelle des Heliums vor allem Elektrolytlösung in die Vakuumkammer aus: Das Leck bleibt unerkannt.

Auch die Schnüffellecksuche scheitert

Schon weil die Elektrolytlösung nie mit Überdruck in die Zellen gefüllt wird, versagt im 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. Zudem 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 oder 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 auf Lecks im Gehäuse geprüft wird. In dieser definierten Umgebungen lassen sich dann sehr wohl mikrofeine Defekte feststellen.

Austretendes Lösungsmittel direkt nachweisen

Diesen Effekt macht sich Inficon bei seiner neuen Prüfmethode für fertig befüllte Batteriezellen zunutze. Denn 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. Auf diesem Weg weist das neue ELT3000-Prüfsystem alle gängigen Elektrolyt-Lösungsmittel direkt nach, wenn sie aus der Zelle austreten: ob DMC, DEC oder EMC – wobei für Batteriezellen sehr häufig auch Gemische aus diesen Lösungsmitteln zum Einsatz kommen. Die Methode ermittelt ebenso Lecks an Lithium-Ionen-Zellen mit starren Gehäusen, also an Rund- und Knopfzellen, wie an den weichen Pouch-Zellen.

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