Dichtheitsprüfung von Batteriezellen durch Elektrolyt-Nachweis
Die Dichtheitsprüfung ist ein fundamentaler Bestandteil des Fertigungsprozesses von Batteriezellen, besonders bei der neuen Generation wieder aufladbarer Lithium-Ionen-Batterien.
Perfekte Dichtung ist notwendig, um einen Verlust von Elektrolyt zu verhindern. Dieses besteht häufig aus brennbaren Lösungsmitteln, aus denen sich Giftstoffe bilden können, wenn sie mit der Feuchtigkeit der Luft in Kontakt kommen. Ebenso wichtig ist es, zu verhindern, dass Feuchtigkeit und andere Stoffe, die die Zelle kontaminieren und ihre Funktionstüchtigkeit beeinträchtigen könnten, von außen eindringen können.
Dichtheitsprüfungen können mit herkömmlichen Techniken wie etwa mit Helium als Tracergas direkt in der Fertigungslinie durchgeführt werden, aber nur in den Phasen des Herstellungsprozesses, in denen die Zelle noch nicht komplett versiegelt ist. Als Alternative ist es möglich, beim Einfüllen des Elektrolyts Helium hinzuzufügen und es in der Zelle einzuschließen, aber diese Methode stört den Fertigungsprozess und kann nicht bei jeder Art von Zellen angewandt werden.
Die Technik des Elektrolyt-Nachweises hingegen ermöglicht es, Dichtheitsprüfungen in den Schlussphasen des Prozesses durchzuführen, nachdem die Batteriezelle mit dem Elektrolyt gefüllt und komplett versiegelt wurde.
Diese Methode der Dichtheitsprüfung kann bei jeder Art von Batteriezellen (Knopf-, Rundzellen, prismatischen oder Pouch-Zellen) verwendet werden, die flüssiges Elektrolyt auf organischer Basis enthalten. Es ist möglich, verschiedene Arten von Lösungsmitteln nachzuweisen, die üblicherweise zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendet werden, wie DMC, DEC, EMC, PP usw.
Batteriezellen können in verschiedenen Phasen des Fertigungsprozesses getestet werden: direkt nach dem Einfüllen des Elektrolyts und der Versiegelung, nach der Formierung oder nach dem Entgasen und der darauf folgenden endgültigen Versiegelung, oder auch bei Tests am Ende der Linie.
Für die Prüfung werden die Zellen in einer Vakuumkammer platziert. Befindet sich ein Leck im Gehäuse, kommt es zu einer Teilverdampfung des Elektrolyt-Lösungsmittels, das daraufhin aus der Zelle in die Vakuumkammer austritt. Das Prüfprinzip beruht auf der Möglichkeit, die Größe des Lecks zu messen, indem man diese Elektrolytdämpfe mit einem Quadrupol-Massenspektrometer nachweist.
Die Möglichkeit, diese Prüfmethode in eine Massenproduktion zu integrieren, setzt voraus, dass die dazu nötigen Tätigkeiten schnell und automatisch erfolgen, um die Fertigungsleistungen, die in der Herstellung von Batteriezellen üblich sind, zu erfüllen.
Die Prüfstrategie beinhaltet eine Folge verschiedener Aktivitäten (zum Patent angemeldet), die konzipiert wurden, um die Prüfdauer auf ein Mindestmaß zu beschränken.
Je nach Art (Knopf-, Rundzelle, prismatische oder Pouch-Zelle) und Größe der jeweiligen Batteriezelle können besondere Anpassungen der Größe und Form der Vakuumkammer, der Anzahl von Zellen in der Kammer, der Prüfdauer u.Ä. nötig sein.
Das Bild zeigt das Beispiel einer automatischen Maschine für Dichtheitsprüfungen mit Elektrolyt-Nachweis für eine Fertigungslinie von Knopfzellen mit einer Leistung von 1 Zelle pro Sekunde.
Um jegliche Kontamination der Vakuumkammer zu verhindern, wird eine Grobleckmessung durchgeführt, um Zellen mit sehr großen Defekten auszusortieren.
Daraufhin wird eine Charge mit 12 Zellen gleichzeitig in der Vakuumkammer geprüft. Die Prüfdauer beträgt 9 Sekunden. Falls eine Charge als nicht in Ordnung befunden wird, können alle 12 Zellen zurückgewiesen werden oder einzeln an einem zweiten Prüfstand außerhalb der Fertigungslinie überprüft werden, um nur solche Zellen abzulehnen, die tatsächlich defekt sind.
- Prüfung bei jeder Art von Zellen anwendbar (Knopf-, Rundzellen, prismatische oder Pouch-Zellen)
- Prüfung in jeder Phase des Prozesses nach Einfüllen des Elektrolyts und Versiegelung anwendbar
- Prüfung für verschiedene Arten von Elektrolyt anwendbar
- Die Prüfung kann ganz einfach automatisiert und in die Fertigungslinie integriert werden
- Es ist nicht nötig, zur Prüfung Tracergas hinzuzufügen
- Keine Beeinträchtigung des Produktionszyklus
- Schnelles Prüfverfahren
Prüfung an Rund- und Knopfzellen
Prüfung an prismatischen Zellen
Prüfung an Pouch-Zellen
Um die Prüfung an Zellen mit weichem Körper wie zum Beispiel Pouch-Zellen durchzuführen, müssen geeignete Werkzeuge verwendet werden, um zu verhindern, dass die Zelle anschwillt, wenn das Vakuum in der Vakuumkammer angelegt wird. Die Prüfung garantiert die Möglichkeit, Lecks in den kritischsten Bereichen der Batteriezellen festzustellen.
PROSPEKTE UND HANDBÜCHER
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| Englisch |
LEAK TESTING OF SEALED BATTERY CELLS THROUGH ELECTROLYTE TRACING: (631.83kB)
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