Spezielle Dichtheitsprüfung für Lithium-Ionen-Batteriezellen

Der ELT3000 – ein zusätzlicher Aufbau des ELT3000 zum Testen weicher Pouchzellen wird gegen Ende 2020 verfügbar sein (Bild: INFICON GmbH)

25.09.2020 Spezielle Dichtheitsprüfung für Lithium-Ionen-Batteriezellen

Das neue Gerät für einen Integritätstest an Lithium-Ionen-Batteriezellen Inficon ELT3000 identifiziert Lecks sowohl an prismatischen, an Rund- und Knopfzellen mit starren Gehäusen als auch an weichen Pouchzellen.

Das neue Verfahren  weist aus Batteriezellen austretendes Elektrolytlösungsmittel direkt nach. Es ist damit weit zuverlässiger als herkömmliche Methoden wie die Druckmessung oder das Helium-Bombing. Der ELT3000 kann Batteriezellen auf Lecks von wenigen Mikrometern Durchmesser testen, was einer Helium-Äquivalenzleckrate von 1 E-6 mbar ∙ l/s entspricht. Damit ist er empfindlich genug, eine Lebensdauer der Batteriezellen von bis zu zehn Jahren sicherzustellen. Das Gerät ist so konzipiert, dass es sich für den Einsatz an manuellen Arbeitsplätzen in der Entwicklungsabteilung genauso eignet wie für die gleichzeitige Prüfung mehrerer Zellen in automatisierten Fertigungslinien. 

Das Gerät besteht aus zwei Komponenten: einem Gasnachweissystem für Elektrolytlösungsmittel und einer Steuereinheit für die Gasflüsse. Zudem ist eine Prüfkammer erforderlich – Inficon liefert sie wahlweise in einer starren oder einer flexiblen Variante. Die flexible Kammer mit Folienmembran, die sich eng an die zu prüfende Zelle anschmiegt, eignet sich insbesondere für fragile Pouchzellen. Soll in einer Fertigungslinie automatisiert geprüft werden, bietet es sich allerdings an, die Prüfkammer individuell auszulegen. Befinden sich die Batteriezellen in der Kammer, lässt sich die Prüfung auf Knopfdruck starten. Die Steuereinheit erzeugt in der Kammer dann ein Vakuum von 5 mbar absolut. Batteriezellen werden meist mit einem Druck von einigen Hundert mbar mit Elektrolyt befüllt. Die Druckdifferenz führt dazu, dass Elektrolyt durch etwaige Lecks aus der Zelle austritt und der Lösungsmittelanteil im Vakuum der Prüfkammer verdampft. Damit ist er für das Massenspektrometer des Gasnachweissystems detektierbar. Der ELT3000 kann alle gängigen Elektrolytlösungsmittel wie z. B. DMC, DEC, EMC und PP direkt nachweisen. Abhängig vom Volumen der Kammer ergeben sich Taktzeiten zwischen 30 und 60 Sekunden.

Dank seiner Massenspektrometer-Technologie kann das Batteriezellen-Prüfgerät 1.000-fach kleinere Lecks detektieren als herkömmliche Druckmessverfahren. In diesem spezifischen Anwendungsszenario ist der ELT3000 auch weit zuverlässiger als ein Verfahren wie das Helium-Bombing. Beim Bombing wird die Batteriezelle zunächst in eine Vakuumkammer gebracht, um dann einer Helium-Atmosphäre unter Überdruck ausgesetzt zu werden. So soll das Prüfgas Helium durch etwaige Lecks in die Zelle eindringen. Nachgewiesen wird es dann in einem letzten Schritt, wenn es durch das Leck wieder austritt. Für den Erfolg der Bombing-Methode sind allerdings die genaue Leckstelle und die Lage der Batteriezelle entscheidend: Befindet sich das Leck beispielsweise an der Unterseite der Zelle, kann die abschließende Vakuumprüfung das Prüfgas nicht sicher nachweisen, weil das leichte Heliumgas in der Elektrolytlösung der Batteriezelle nach oben steigt und unter Umständen gar nicht aus dem Leck am Boden austritt.
Diese Probleme kennt die direkte Prüfmethode nicht: Sie identifiziert Lecks, indem sie austretendes Elektrolytlösungsmittel direkt nachweist. Zugleich minimiert sie menschliche Fehlerquellen bei der Prüfung und sorgt für rückführbare Ergebnisse. Das Gerät speichert alle Prüfdaten für einen Export und lässt sich mithilfe der  E-Check Testlecks zuverlässig kalibrieren. Das Nachweissystem vergleicht das Ergebnis jeder Prüfung mit einem zuvor definierten Trigger-Wert und zeigt etwaige Lecks sofort an. Auch Testergebnisse dem konkreten Prüfling zuzuweisen, ist denkbar einfach. Dazu schließt man an die genormte Schnittstelle des ELT3000 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.


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INFICON GmbH
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