Verbeterde nauwkeurigheid in EV-batterijlekdetectie voor veiligere lithium-ionpakketten

Blootstelling aan waterdamp is een doodvonnis voor de lithium-ion (Li-ion) batterijen die in hybride en elektrische voertuigen (EVs) gebruikt worden. Als vocht de batterijcel binnenkomt en reageert met het elektrolyt, ontstaat zuur. En dat zuur kan een exothermische reactie veroorzaken, wat leidt tot thermische ontlading — een interne brand.

Catastrofaal celschade is een worst-case scenario, maar elke cellek die zuurintrusie toelaat is problematisch. "Als een zuurlek wijdverspreid is in het pakket, is dat zowel een garantiekwestie als een ontevreden klant," zei Thomas Parker, automotive market sales manager bij Inficon, fabrikant van instrumenten voor gasanalyse.

Hoewel het gebruik van een testgas en bijbehorende apparatuur gangbaar is voor batterijpakketlekdetectie, is het vinden van een lek op celniveau een volkomen andere taak. Drie hoofdtypen batterijcellen — cilindrisch, prismatisch en pouch — worden momenteel in EVs gebruikt, met pouch-cellen die aan populariteit winnen door hun lagere gewicht. De vacuüm-geperzichte pouch-cellen ondergaan doorgaans visuele inspectie door werknemers om te bepalen of er tijdens opslag en verzending er uitgebuld zijn.

"Het is belangrijk te weten dat een lek dat een opgebolden pouch in een week zou veroorzaken, niet de grootte weerspiegelt van een lek dat optreedt door vochtintrusie over maanden of jaren," vertelde Parker aan SAE's Automotive Engineering magazine. "We willen weten over een lek dat een miljoen keer kleiner is dan wat een visuele test zou aangeven."

Testtechnologie-oplossing

Inficon claimt dat de zojuist uitgebrachte ELT3000-technologie Li-ion-cellekken 1.000 keer kleiner kan detecteren dan mogelijk is met conventionele testmethoden met testgassen. Het lekdetectiesysteem gebruikt een vacuümkamer, een gasbesturingseenheid en een gasdetectie-eenheid. Inficon-ingenieurs schreven de software die de gasbesturingseenheid en gasdetectie-eenheid bedient.

Het gebruik van een quadrupel-massaspectrometer en de manier waarop de vacuümkamer verbindt met de gasdetectie-eenheid benadrukken de uniekheid van de testmethode. Het bedrijf heeft een geregistreerd octrooi voor deze oplossing, merkte Dr. Daniel Wetzig, Inficon's research manager voor lekdetectie-instrumenten, op.

Tijdens het ELT3000-lekdetectieproces op elektrolyt-gevulde pouch-cellen, beschermt de testapparatuur de zachte pouch-cel. "Het systeem biedt zachte encapsulatie van de pouch-cel met een flexibele membraan, zodat het te testen monster niet beschadigd wordt," zei Parker. Het oppervlak van de flexibele membraan bevat een structuur die fungeert als afzonderlijke grenslaag. "We willen dat de pouch-cel comfortabel en veilig is. We willen ook niet dat het flexibele membraan een gat afdicht, eigenlijk een lek afdekt tijdens testen," legde hij uit.

Volgens de ontwikkelaars van ELT3000 biedt het systeem een hoog nauwkeurige lektest op Li-ion-batterijcellen, in schril contrast met traditionele testprocedures. "Het voordeel van de lektest is dat de batterijcellen al gevuld zijn met elektrolytoplosmiddel, dus er is geen behoefte aan testgassen," merkte Wetzig op. De ELT3000 kan verschillende typen elektrolytoplosmiddel aan, waaronder dimethyleen carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) en polypropyleen (PP). Inficon begon in 2020 met het uitrollen van de batterijlekdetectie-productieapparatuur voor pouch-, prismatische en cilindrische cellen.

Huidige conventionele testen van lege hard-case prismatische of cilindrische cellen worden gedaan door de cellen met helium testgas te vullen om lekken te detecteren terwijl de cellen in een vacuümkamer zijn. Elektrolyten worden na 'droge' testen in de cellen gebracht. Een minder gangbare testmethode omvat het plaatsen van elektrolyt-gevulde cellen in een vacuümkamer en het blootstellen van de cellen aan helium onder druk, aangeduid als 'helium bombing'. Lekken worden gedetecteerd wanneer het helium testgas in de vacuümkamer ontsnapt.

Inficon's ELT3000 lekdetectiesysteem is ontwikkeld door de onderzoekers van het bedrijf in Keulen, Duitsland, met sensortechnologie van het Noord-Amerikaanse hoofdkantoor in Syracuse, NY. Productontwikkeling liep over 30 maanden. "De ELT3000 lektest geeft een helder antwoord over de celdichtheid en daarmee over de levensduur van de batterij," volgens Wetzig.