Batterien benötigen moderne Verfahren zur Qualitätssicherung (Bild: Schott AG)
17.09.2018 Lebensdauer von Batterien sichern
Moderne Prüfgasverfahren und neue GTAS-Glasdichtungen
Die Batterien sind eine zentrale Stellschraube für erfolgreiche Elektromobilität. Neue Dichtungskonzepte und eine konsequente Dichtheitsprüfung können dazu beitragen.
Der Elektromobilität gehört die Zukunft. Die Zahl von EV/HEV-Fahrzeugen (Electric Vehicles und Hybrid Electric Vehicles) wächst kontinuierlich. Das Herzstück eines Elektrofahrzeugs ist seine Batterie. Bei der Fertigung der Traktionsbatterien gilt der Qualitätssicherung besonderes Augenmerk, denn die Batterien enthalten z.B. brennbares Elektrolyt. Auch sollen sie ihre Kapazität über die gesamte Lebensdauer hinweg behalten. Der Dichtheitsprüfung kommt deshalb bereits bei der Fertigung der einzelnen Batteriezellen eine entscheidende Rolle zu. Prinzipiell eignen sich hier Prüfgasverfahren, um die Einhaltung der sehr kleinen Grenzleckraten sicherzustellen. Aber auch mit neuen Konstruktionskonzepten können Hersteller einiges tun, um für die Dichtheit ihrer Zellen zu sorgen. So gibt es heute neue Deckeldesigns zur Verbesserung der Dichtigkeit von Batteriezellen: Mithilfe der Glass-to-Aluminium-Seal-Technologie (GTAS) werden Batterieelektroden eingeglast, was herkömmliche Kunststoffabdichtungen überflüssig macht und ein Eindringen von Feuchtigkeit dauerhaft vermeidet.
Eine dauerhaft hohe Kapazität
Traktionsbatterien machen bis zu einem Drittel des Werts eines EV-Fahrzeugs aus. Zudem sind sie erfolgskritische Verschleißteile und gleichermaßen potenzielle Gefahrenherde beim Betrieb der Fahrzeuge, denn der Elektrolyt in den Batteriezellen ist brennbar. Als angestrebter Standard für die Lebensdauer einer Traktionsbatterie gilt, dass sie nach 10.000 Ladezyklen über 80% ihrer Kapazität verfügen soll – ein ehrgeiziges Ziel im rauen Straßenalltag der EV/HEV-Fahrzeuge. Um eine solche Lebensdauer zu erreichen, ist es unerlässlich, dass der Elektrolyt aus den Batteriezellen keinesfalls austritt und weder Wasser noch Luftfeuchtigkeit in die Zelle eindringen können. Die Konsequenz: Die einzelnen Batteriezellen müssen unbedingt gasdicht sein. Denn eine undichte Zelle rutscht schon nach viel weniger Ladezyklen als nach den angestrebten 10.000 aus ihrem Normbereich für die Kapazität. Und eindringende Luftfeuchtigkeit kann die Batteriezelle auf Dauer sogar vollständig zerstören. Nur moderne Prüfgasverfahren sind geeignet, diese unverzichtbare Gasdichtheit zu gewährleisten.
Zellen in verschiedenen Bauformen
Batteriezellen werden üblicherweise in drei unterschiedlichen Bauformen gefertigt. Prismatische Zellen und die aus unserem Alltag bekannten Rundzellen haben ein stabiles Gehäuse. Das Gehäuse der beutelartigen Pouch-Zellen ist dagegen flexibel. Unabhängig von der Bauform muss der Hersteller, wenn er die Batteriezellen mit Elektrolyt gefüllt und versiegelt hat, das Gehäuse auf Dichtheit prüfen, um ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit auszuschließen. Dafür sind in der Fertigung Tests gegen Grenzleckraten im Bereich von 10⁻5 bis 10⁻6 mbar∙l/s erforderlich. Ältere Testverfahren wie etwa das Wasserbad, Lecksuchsprays oder eine Druckabfallmessung sind bei diesen sehr kleinen Leckraten ungeeignet. Für die Qualitätssicherung in der Fertigung empfiehlt sich vielmehr eine Prüfgasmethode, bei der in einer Vakuumkammer Helium als Prüfgas zum Einsatz kommt. Oft wird der Elektrolytfüllung der Zellen bereits eine kleine Menge Helium – etwa 3 bis 5% – zugegeben, damit jeder Prüfling das Prüfgas bereits enthält.
Helium-Prüfung in der Vakuumkammer
Gerade in Fertigungslinien hat die Helium-Prüfung in der Vakuumkammer Vorzüge: Das hochautomatisierte und -genaue Prüfverfahren erlaubt sehr kurze Taktzeiten. Ist die Beigabe von Helium nicht möglich, wendet man die Methode des Bombing an. Dafür wird die Batteriezelle zunächst unter Überdruck einer Helium-Atmosphäre ausgesetzt. Durch etwaige Lecks kann das Helium in die Zelle eindringen, sodass sich austretendes Prüfgas im anschließenden Prüfschritt in der Vakuumkammer nachweisen lässt. Die Bombing-Methode wird hauptsächlich bei Zellen mit starrem Gehäuse angewandt. Zudem ist es, gerade bei der Fertigung von prismatischen Zellen, oft sinnvoll, die Dichtheit des Gehäuses frühzeitig zu testen – noch bevor die Zelle überhaupt mit Elektrolyt befüllt wird. Auch dies sollte in der Vakuumkammer mit Helium als Prüfgas geschehen. Nach der Befüllung ist dann nur noch eine Dichtheitsprüfung von Teilbereichen der Zelle erforderlich.
Polkontaktstifte als Schwachstellen
Prismatische Zellen haben eine Reihe potenzieller Schwachstellen. Die erste ist die Versiegelung zwischen dem Deckel der Zelle (durch den die Anoden- und Kathoden-Kontakte geführt sind) und dem Korpus der Zelle, der häufig aus tiefgezogenem Aluminium in einem Stück gefertigt wird. Die Aluminium-Deckelplatte der prismatischen Zellen sowie die Befüllöffnung und das Sicherheitsventil werden per Laser verschweißt, was i.d.R. für eine dauerhaft dichte Verbindung sorgt. Problematischer sind hier andere Bauteile des Deckels, weil dort Polymerdichtungen verwendet werden und zwar die beiden Polkontaktstifte. Da bei allen organischen Materialien – Polymerdichtungen eingeschlossen – früher oder später ein Alterungsprozess einsetzt, ist die Gefahr hoch, dass die geforderte Dichtheit beeinträchtigt wird. Vor diesem Hintergrund werden schon seit Jahrzehnten erfolgreich verschiedene Lithium-Batterietypen eingesetzt, die mit Glas-Metall-Deckeln gefertigt sind.
Glass-to-Aluminium-Seals
Diese Problemstellen im Deckel der prismatischen Zelle lassen sich durch einen konstruktiven Ansatz beseitigen – durch die Glass-to-Aluminium-Seals (GTAS). Das Prinzip, Glas als Dichtungsmaterial für Metalle einzusetzen, ist an sich nicht neu. Glass-to-Metal-Seals (GTMS) sind eine etablierte Massenmarkt-Anwendung. Sie werden auch im Automotive-Bereich in großen Stückzahlen eingesetzt – etwa in klassischen Lithium-Thionylchlorid-Batterien, Sensoren und Steuermodulen. Die Erfahrungen mit dieser Technologie und die große Menge an Daten zur Sicherheit der Glas-zu-Metall-Dichtungen lieferten die Grundlage dafür, die neuen Glas-zu-Aluminium-Dichtungen für prismatische Zellen zu entwickeln. Möglich werden diese GTAS-Dichtungen durch ein Spezialglas, dessen Zusammensetzung an die Eigenschaften von Aluminium angepasst ist: Dabei wurden die Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Materialien genau aufeinander abgestimmt.
Die robuste Kompressionsversiegelung
Weil das Spezialglas einen definierten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, entsteht durch die neue GTAS-Technik eine ebenso undurchdringliche wie dauerhafte Dichtung. Man macht sich dabei das Prinzip der Kompressionsversiegelung zunutze. Um die beiden Polkontaktstifte, die aus Aluminium oder Kupfer bestehen, wird ein vorgefertigter Ring aus Spezialglas gelegt. Diesen wiederum umgibt ein größerer Ring aus Aluminium. Werden die beiden Materialien beim Fügevorgang erwärmt, dehnt sich das Aluminium schneller aus als das Glas. Wenn sich die Materialien wieder abkühlen, drückt das Aluminium von außen gegen den Glasring, durch den der Polkontaktstift geführt ist. Dieser Druck sorgt für eine mechanisch sehr starke Versiegelung. In einem Anwendungsfall wie dem der Traktionsbatterie, in dem die Batteriezellen besonders robust und langlebig sein müssen, kann dies entscheidend für die Lebensdauer sein.
Die GTAS-Technik ermöglicht nicht nur eine größere Langlebigkeit der Zellen, sie reduziert auch die Komplexität ihrer Konstruktion. Im Deckel einer herkömmlichen prismatischen Zelle sind oft bis zu elf verschiedene Komponenten verbaut, aus Kunststoff, Kupfer und Aluminium. In einem Deckel mit GTAS-Technik gibt es für jeden Polkontakt nur noch wenige Bauteile: den Kontaktstift aus Aluminium oder Kupfer, den Dichtungsring aus Spezialglas und den Ring aus Aluminium. Der Einsatz der GTAS-Technologie an den Polkontakten und ein sorgfältiges Laserschweißen des Deckels an den Korpus der Zelle sind zwei wesentliche Faktoren, um die Langlebigkeit einer prismatischen Batteriezelle zu erhöhen.
Dichtheit angemessen prüfen
Die Batteriezellen, die kleinsten Bauelemente einer Traktionsbatterie, machen rund 60% ihres Wertes aus. Eine entsprechend hohe Bedeutung hat die Qualitätssicherung. Aber auch auf den weiteren Stufen der Fertigung sind Dichtheitsprüfungen erforderlich – wenn die Batteriezellen zu Batteriemodulen und diese wiederum zu Batteriepacks zusammengeschlossen werden. Von außen darf schon wegen der Kurzschlussgefahr kein Wasser in die Gehäuse von Modulen oder Packs eindringen. Um diese Gehäuse auf ihre Dichtheit zu prüfen, bedarf es keiner Helium-Prüfung in der Vakuumkammer wie bei den Batteriezellen. Hier ist eine Schnüffellecksuche sinnvoller, die als Prüfgas entweder Helium oder Formiergas verwendet und die auch automatisiert, per Roboterarm, durchgeführt werden kann. Zudem darf eine Traktionsbatterie nie überhitzen – darum muss auch der Kühlkreislauf der Antriebsbatterie vor Kältemittelverlust geschützt und dicht sein. Dies stellt man nach Einbau der Batterie üblicherweise durch eine Schnüffellecksuche sicher, bei der das Kältemedium selbst – sei dies R1234yf oder CO2 – als Prüfgas dient.
Fakten für Konstrukteure
• Glasdichtungen lösen hier verschiedene konstruktive Probleme von klassischen Dichtungen und reduzieren die Komplexität
Fakten für Einkäufer
• Qualität zahlt sich bei Batterien besonders aus, denn von ihnen hängt die Perfomance von E-Fahrzeugen maßgeblich ab
Fakten für Qualitätsmanager
• Für unterschiedliche Qualitätsanforderungen bietet sich die Kombination verschiedener Prüfmethoden an
Das GTAS-Konzept erlaubt vereinfachte Konstruktionen (Bild: Schott AG)
Das GTAS-Konzept vermeidet die Alterungsprobleme von Polymerdichtung (Bild: Schott AG)
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