Schema der Roboter-Schnüffellecksuche am Batteriegehäuse.
Foto: Inficon

Prüftechnik

5 Gründe, in der Batteriefertigung die Dichtheit zu prüfen

Inficon hat eine Checkliste zusammengestellt, die die Anforderungen an diverse Stufen des Fertigungsprozesses von Traktionsbatterien zusammenfasst.

Elektromobilität wird immer bedeutsamer, weltweit. Mit der Zahl der Electric Vehicles (EV) und der Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEV) wächst auch die Zahl der benötigten Batterien. Die Traktionsbatterie ist zugleich ein erfolgskritisches Verschleißteil und ein potenzieller Gefahrenherd. Im Zeitalter der Elektromobilität wollen Endkunden keine brennenden Luxuslimousinen bestaunen. Und sie sind auch nicht bereit, nach wenigen Jahren viel Geld in eine neue Antriebsbatterie zu investieren, um wieder eine brauchbare Reichweite zu erhalten. Automobilhersteller und Zulieferer kommen in ihren Fertigungsprozessen um geeignete Dichtheitsprüfmethoden also nicht herum. Denn der Elektrolyt der Batteriezellen darf keinesfalls austreten oder mit Wasser und Luftfeuchtigkeit in Berührung kommen.

Checkliste: Wie die Dichtheit schon während der Batteriefertigung geprüft werden kann

  1. Schon die einzelnen Batteriezellen müssen dicht sein
    Wenn Elektrolyt mit Wasser reagiert, entsteht Flusssäure, die die Batteriezelle zerstört. Am Ende der Lebensdauer einer Zelle sollte die Wasserkonzentration im Elektrolyt so gering wie möglich sein. Darum müssen schon die kleinsten Einheiten einer Traktionsbatterie – die Batteriezellen – dicht sein. Nach Bauform unterscheidet man zwischen prismatischen, Rund- und Pouchzellen. Als Richtwert gilt, dass nach zehn Jahren die Konzentration des im Elektrolyt gelösten Wassers kleiner als 80 ppm sein sollte. Geht man von einer durchschnittlichen Luftfeuchtigkeit von 50 % aus, ergibt sich daraus eine maximal zulässige Leckgröße von 10-6 mbar∙l/s. Dieser Forderung nach zuverlässiger Gasdichtheit lässt sich nur durch moderne Prüfgasverfahren entsprechen, etwa durch eine Helium-Prüfung in einer Vakuumkammer.

  2. Einen Thermal Runaway auf dem Transportweg vermeiden
    Aktuell kommen die meisten Batteriezellen aus asiatischen Fertigungsanlagen – und leider sind Beschädigungen von Batteriezellen auf ihrem Weg aus Übersee keine Seltenheit. Dies kann schon beim Transport selbst fatale Konsequenzen haben. So dürfen Lithium-Ionen-Batterien und -Zellen wegen ihrer Brandgefährlichkeit nicht mehr als Fracht in Passagierflugzeugen transportiert werden. Auch Schiffscontainer wurden schon häufiger völlig zerstört. Denn der sogenannte Thermal Runaway einer einzelnen Batteriezelle – beispielsweise durch einen internen Kurzschluss verursacht – kann dazu führen, dass sich schließlich der gesamte Schiffscontainer durch den brennenden Elektrolyt der Zellen auf bis zu 1.100 °C aufheizt und explodiert. Grund genug für asiatische Zulieferer, ihre Zellen genauestens auf Dichtheit zu prüfen.

  3. Erst ein Wareneingangstest sichert die Qualität
    Vor diesem Hintergrund wundert es nicht, dass viele Experten und Wissenschaftler die Ansicht vertreten, ein effizienter Wareneingangstest sei für deutsche Hersteller und Zulieferer unverzichtbar. Prinzipiell könnten Weiterverarbeiter Batteriezellen aus Asien auch leer beziehen und selbst mit Elektrolyt befüllen, verschließen und formatieren. Dann ist natürlich ebenfalls eine Dichtheitsprüfung notwendig. Zu den neuralgischen Stellen prismatischer Zellen zählen beispielsweise die Schweißnähte zwischen der Deckplatte und den Elektrodenkontakten, bei Rundzellen die gecrimpten Verbindungen zwischen dem zylindrischen Gehäuse und den Elektroden und bei den weichen Pouch-Zellen unter anderem die Leckstellen an der Versiegelung des Beutels.

  4. Gehäuse von Batteriemodulen und -packs sollen vor Wasser schützen
    Batteriezellen werden zunächst zu Batteriemodulen zusammengebaut, aus denen dann Batteriepacks entstehen. Einige deutsche OEMs übernehmen diese Produktionsschritte derzeit schon selbst, andere beziehen ihre kompletten Batteriepacks von deutschen Tier-1-Suppliern. Gehäuse von Batteriepacks müssen die enthaltenen Module und Zellen vor Wasser schützen und den Schutzklassen IP67 oder IP69 K entsprechen – etwa wenn das Gehäuse potenziell dem Strahl eines Hochdruckreinigers ausgesetzt sein kann. Die Grenzleckraten hängen vom Gehäusematerial ab. Für Kunststoff- oder Stahl-Gehäuse prüft man gegen Leckraten im Bereich 10-3 bis 5 x 10-3 mbar∙l/s, bei Aluminiumgehäusen sind es 10-5 mbar∙l/s. Dafür empfiehlt sich eine Schnüffellecksuche mit Prüfgasen, die oft automatisiert, mit einem Roboterarm, durchgeführt wird.

  5. Nur gute Kühlung sichert die Lebensdauer
    Auch die Zuverlässigkeit der Kühlung einer Traktionsbatterie wirkt sich auf ihre Betriebssicherheit und Lebensdauer aus, denn Batterien heizen sich im Fahrbetrieb und bei Ladevorgängen auf. Darum müssen sowohl die Batteriezellen als auch das elektronische Steuergerät (ECU) der Traktionsbatterie gekühlt werden. Prinzipiell sind eine passive Luftkühlung oder eine aktive Flüssigkeitskühlung möglich. Bei letzerer gibt es entweder Wasser-Glykol-Gemische oder Kältemittel wie R1234 YF. Die konkreten Dichtheitsanforderungen hängen vom Kühlmedium ab. Bei einem Wasser-Glykol-Gemisch beträgt die Grenzleckrate 10-3 mbar∙l/s. Bei einem Kältemittel wie R1234 YF sollte gegen eine Leckrate von ungefähr 10-5 mbar∙l/s getestet werden, was ebenfalls den Einsatz von Prüfgasverfahren erforderlich macht.

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Inficon stellt ein kostenfreies Whitepaper mit dem Thema "Elektromobilität und Dichtheitsprüfung - Eine Übersicht über die Prüfaufgaben in industriellen Fertigungsprozessen von Traktionsbatterien" zur Verfügung.

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