Qualitätssicherung in der Akkufertigung

Andreas Mühlbauer,

Direkte Dichtheitsprüfung an befüllten Lithium-Ionen-Zellen für den 3C-Markt

Imageprobleme wegen frühzeitig versagender oder gar brennender Akkus möchte jeder Hersteller im Marktsegment Computer, Communication und Consumer Electronics vermeiden.

Die flexible Prüfkammer FTC3000. © Inficon

Auch will in der 3C-Branche niemand Lithium-Ionen-Akkus noch in der Garantiezeit tauschen müssen. Darum peilen viele Hersteller 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. Bislang gab es dafür nur kaum geeignete, weil indirekte Verfahren. Inficon, Spezialist für Dichtheitsprüfung mit Entwicklungs- und Produktionsstandort in Köln, hat nun eine innovative Methode entwickelt, die kleinste Lecks in Batteriezellen direkt nachweist – durch austretendes Elektrolyt-Lösungsmittel.

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.

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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 Helium 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 bzw. 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

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 der neue ELT3000 von Inficon 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 innovative Methode ermittelt ebenso Lecks an Lithium-Ionen-Zellen mit starren Gehäusen, also an Rund- und Knopfzellen, wie an den weichen Pouch-Zellen.

Leckrate und Leckdurchmesser

Die neue Methode weist Lecks bis zu einer Helium-Äquivalenzleckrate von 1∙10-6 mbar∙l/s nach. Bei weichen Pouch-Zellen mit zum Beispiel 400 mbar Innendruck und einer Foliendicke von ungefähr 150 µm, ergibt sich so ein minimal nachweisbarer Leckdurchmesser von 1,9 µm. Bei stabilen Zellen mit einer Wandstärke von beispielsweise 1 mm und einem Innendruck von 1000 mbar identifiziert das neue Verfahren Lecks bis zu einem Durchmesser von 1,7 µm. In der Regel können aus Lecks dieser Größe keine ganzen Tropfen der Elektrolytlösung austreten – und in die Zelle kann auch keine Luftfeuchtigkeit eindringen. So trägt eine Dichtheitsprüfung gegen die Grenzleckrate von 1∙10-6 mbar∙l/s dazu bei, dass die Lebensdauer von drei bis fünf Jahren, die die 3C-Branche für ihre Lithium-Ionen-Akkus anstrebt, auch wirklich erreicht wird.

Vakuumprüfung für alle Zelltypen

Das neue Inficon-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 Contol Unit, GCU). Hinzu kommt noch die Vakuumkammer, in der die Zellen dem Prüfprozess unterzogen werden. Inficon liefert verschiedene Prüfkammern für Tests an Rund- und Knopfzellen, aber ebenso eine Kammer für Prüfungen an den weichen, empfindlicheren Pouch-Zellen. Befinden sich die Batteriezellen in der jeweiligen Kammer, startet die Prüfung auf Knopfdruck. 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 nach – und damit das Leck.

Vakuumprüfung an weichen Pouch-Zellen

Bislang waren Vakuumprüfungen an den weichen Pouch-Zellen unmöglich, denn wegen der Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Zelle und dem Vakuum der Prüfkammer käme es zur Expansion und zur Beschädigung der Zellen. Mit der flexiblen Prüfkammer FTC3000, die Inficon patentiert hat, ist dieses Problem gelöst. Denn eine Folienmembran schmiegt sich während der Evakuierung eng an die Zelloberfläche und stabilisiert so die empfindlichen Zellen. Dies verhindert ein Aufblähen oder gar ein Platzen der Pouch-Zelle und ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Vakuumprüfung. Auch für Entwicklungsabteilungen, die mitunter Zellprototypen unterschiedlichster Form auf ihre Dichtheit testen müssen, ist die flexible Prüfkammer ein gutes Werkzeug. Nicht zuletzt ist der ELT3000 aber für den Einsatz in automatisierten Fertigungslinien konzipiert.

Stets rückführbare Ergebnisse

Gleichgültig ob mit starrer oder flexibler Kammer: Das neue Prüfgerät von Inficon minimiert menschliche Fehlerquellen und ist dank des einfachen Prüfablaufs und seines Touchdisplays intuitiv bedienbar. Mithilfe eines speziellen E-Check Testlecks lässt es sich zuverlässig kalibrieren – für den späteren Nachweis verschiedener Lösungsmittel. Das Nachweissystem vergleicht das Ergebnis jeder Prüfung mit einer zuvor definierten Rückweisegrenze und zeigt Lecks sofort an. Auch Testergebnisse dem konkreten Prüfling zuzuweisen, ist denkbar einfach. Dazu schließt man an die genormte Schnittstelle des Geräts 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. Zudem speichert es alle Prüfdaten für einen Export – auch dies garantiert rückführbare Ergebnisse.

Batch-Testing und kurze Prüfzyklen

Für einen Einsatz der neuen Prüfmethode in der Großserienproduktion bietet es sich 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 nutzen möchte. Typischerweise bewegt sich die Taktzeit der Prüfung bei den kleineren Kammern, wie sie Inficon selbst anbietet, im Bereich von 45 bis 60 Sekunden. 10 bis 30 Sekunden davon sind Abpumpzeit, und 10 Sekunden 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 oder pneumatischen Greifern zu beschicken, um mehrere Zellen in einem Batch zu testen. Erfahrene Systemintegratoren sind in der Lage, solche Vakuumkammern auszulegen und in Prüfanlagen zu integrieren. Auch für die Automatisierung von Prüfkammern mit flexibler Folienmembran arbeitet Inficon mit Systemintegratoren zusammen.

Qualitätsgesicherte Zellfertigung

Dank seiner Massenspektrometer- und Vakuummethode kann das neue Gerät von Inficon bei der Dichtheitsprüfung befüllter Lithium-Ionen-Zellen tausendfach kleinere Lecks detektieren als herkömmliche Druckverfahren. Gleichzeitig liefert die neue Methode hochzuverlässige Ergebnisse, was das Helium-Bombing in dieser Anwendung nicht vermag. Der direkte Nachweis austretenden Elektrolyt-Lösungsmittels eröffnet der Qualitätssicherung bei der Zellfertigung ganz neue Möglichkeiten – unabdingbar für die angestrebte Lebensdauer der Batterie, ob in Smartphones, Wearables oder medizinischen Geräten.

Dr. Yessica Brachthäuser, Applikationsingenieurin Batterien & E-Mobiltiät, Inficon

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