Während der Motor in herkömmlichen Automobilen als das Herzstück gilt, ist es in Elektrofahrzeugen deren Batterie. Auch an der Wertschöpfung des Elektrofahrzeugs ist die Batterie zu wenigstens einem Viertel beteiligt. Traktionsbatterien vollelektrischer Fahrzeuge bestehen 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.

Bild 1: Der ELT3000 zur Batteriezellprüfung, hier mit der flexiblen Prüfkammer FTC3000 für Pouch-Zellen.

Bild 1: Der ELT3000 zur Batteriezellprüfung, hier mit der flexiblen Prüfkammer FTC3000 für Pouch-Zellen. Inficon

Nur dann wird die Traktionsbatterie ihre intendierte Lebensdauer von zehn Jahren erreichen. 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. Inficon hat eine Methode entwickelt, die bei der industriellen Herstellung von Batteriezellen auch kleine Lecks erkennt. Denn das neue Prüfgerät weist austretendes Elektrolyt-Lösungsmittel direkt nach – in einer Vakuumkammer.

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 prismatischen Zellen und die Rundzellen. Die andere Kategorie bilden Zellen mit einem weichen, taschenartigen Äußeren: die Pouch-Zellen. Zwei Schadensmechanismen sind all diesen Zelltypen gemeinsam. Tritt Elektrolyt aus der Zelle aus, sinkt ihre Kapazität und die Lebensdauer der Batterie verkürzt sich. 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 weiter 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 bei Unterdruck mit einem Elektrolyt befüllt. 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.

Probleme beim 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 wird eine Prüfkammer bis zu einem definierten Überdruck von einigen Bar mit Luft befüllt und es erfolgt über ein definiertes Zeitintervall eine Messung der Druckveränderungen die 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.

Warum Helium-Bombing unzuverlässig ist

Bild 2: Eine Folienmembran schmiegt sich während der Evakuierung eng an die Zelloberflächen an und stabilisiert sie.

Bild 2: Eine Folienmembran schmiegt sich während der Evakuierung eng an die Zelloberflächen an und stabilisiert sie. Inficon

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.

Schwächen der Schnüffellecksuche

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 sich detektieren lässt. 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 beziehungsweise 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.

Austretendes Lösungsmittel direkt nachweisen

Bild 3: Das Messgerät verfügt über ein Touchdisplay. Nutzer kalibrieren es mithilfe eines speziellen E-Check-Testlecks für verschiedene Lösungsmittel.

Bild 3: Das Messgerät verfügt über ein Touchdisplay. Nutzer kalibrieren es mithilfe eines speziellen E-Check-Testlecks für verschiedene Lösungsmittel. 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. Das Prüfgerät ELT3000 nutzt diesen Umstand (Bild 1). Es weist gängige Elektrolyt-Lösungsmittel direkt nach, wenn sie aus der Zelle austreten, beispielsweise DMC, DEC, EMC oder PP – wobei für Batteriezellen sehr häufig auch Gemische aus diesen Lösungsmitteln Verwendung finden. Die Methode ermittelt Lecks an Lithium-Ionen-Zellen mit starren Gehäusen, an prismatischen und Rundzellen sowie an den weichen Pouch-Zellen (Bild 2).

Die flüssige Lösung in der Zelle kann einen Leckkanal selbst verschließen, sofern er klein genug ist. An der Leckstelle kommt es dann allenfalls zu einer winzigen Verdunstung, welche 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 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 Verfahren Lecks bis zu einem Durchmesser von 2,6 µm.

Solche Lecks von wenigen Mikrometer 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. Damit stellt eine Dichtheitsprüfung gegen die Grenzleckrate von 1∙10-6 mbar∙l/s die Lebensdauer von zehn Jahren sicher, welche die Industrie für ihre Batteriezellen anstrebt.

Vakuumprüfung für verschiedene Zelltypen

Das 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 Control Unit, GCU). Hinzu kommt die Vakuumkammer, in der die Zellen dem Prüfprozess unterzogen werden. Verfügbar sind verschiedene Prüfkammern für vorwiegend manuelle Tests an prismatischen und Rundzellen, aber ebenso eine Kammer für Prüfungen an den weichen, empfindlicheren Pouch-Zellen ist erhältlich. 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.

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. Die Lösung: Eine Folienmembran schmiegt sich während der Evakuierung eng an die Zelloberfläche und stabilisiert die empfindlichen Zellen. Dies verhindert, dass die Pouch-Zellen sich verformen oder platzen. 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, eignet sich die Prüfkammer als Werkzeug.

Bedienung des Prüfgeräts

Bild 4: Das Batch-Testen prismatischer Batteriezellen ist in einer größeren Vakuumkammer möglich.

Bild 4: Das Batch-Testen prismatischer Batteriezellen ist in einer größeren Vakuumkammer möglich. Inficon

Das Gerät verfügt zur Bedienung über ein Touchdisplay. Nutzer kalibrieren es mithilfe eines speziellen E-Check-Testlecks für verschiedene Lösungsmittel (Bild 3). Das Nachweissystem vergleicht das Ergebnis jeder Prüfung mit einem zuvor definierten Trigger-Wert und zeigt Lecks an. Um Testergebnisse dem konkreten Prüfling zuzuweisen, schließt der Bediener an die genormte Schnittstelle des Geräts einen Barcode-Scanner an, mit dem sich jede Zelle individuell erfassen lässt. Das System verknüpft die Testergebnisse dann mit der jeweiligen Teil-ID und einem Zeitstempel. Zudem speichert es alle Prüfdaten für einen Export, um rückführbare Ergebnisse sicherzustellen.

Batch-Testen und Zykluszeit

Die Entwickler haben 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 nutzt. Typischerweise bewegt sich die Taktzeit der Prüfung bei den kleineren Kammern, wie sie der Hersteller selbst anbietet, im Bereich von 30 bis 60 s. Davon sind 10 bis 30 s Abpumpzeit, und 10 s benötigt der eigentliche Messvorgang.

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. Für die Automatisierung flexibler Prüfkammern arbeitet der Hersteller mit Systemintegratoren zusammen (Bild 4).

Qualitätssicherung in der Zellfertigung

Mit der Massenspektrometer- und Vakuummethode kann das ELT3000 bei der Dichtheitsprüfung befüllter Lithium-Ionen-Zellen laut Hersteller tausendfach kleinere Lecks detektieren als herkömmliche Druckverfahren. Gleichzeitig liefert die Methode zuverlässigere Ergebnisse als das Helium-Bombing. Der direkte Nachweis austretenden Elektrolyt-Lösungsmittels verbessert so die Qualitätssicherung bei der Zellfertigung.