Повышенная точность тестирования на утечки батарей ЭВ для более безопасных литий-ионных упаковок

Влажность — смертный приговор для литий-ионных (Li-ion) батарей, используемых в гибридных и электрических автомобилях (ЭВ). Если влага попадает в батарейную ячейку и реагирует с электролитом, образуется кислота. А эта кислота может создать экзотермическую реакцию, ведущую к термическому разгону — внутреннему пожару.

Катастрофическое повреждение ячейки — худший сценарий, но любая утечка ячейки, допускающая проникновение кислоты, проблематична. «Если утечка кислоты широко распространена в упаковке, это и гарантийная проблема, и недовольный клиент», — сказал Томас Паркер, менеджер по продажам автомобильного рынка в Inficon, производителе приборов для газового анализа.

Хотя использование тестового газа и ассоциированного оборудования сегодня распространено для обнаружения утечек батарейных упаковок, поиск утечки на уровне ячейки — это совершенно другая задача. Три основных типа батарейных ячеек — цилиндрические, призматичные и мешочковые — сейчас используются в ЭВ, при этом мешочковые ячейки набирают популярность из-за своего меньшего веса. Вакуумное прессованные мешочковые ячейки обычно проходят визуальный осмотр рабочими для определения, не надулись ли они наружу во время хранения и перевозки.

«Важно знать, что утечка, вызывающая надувание мешочка за неделю, не отражает размер утечки, происходящей при проникновении влаги за месяцы или годы», — сказал Паркер журналу SAE Automotive Engineering. «Мы хотим знать об утечке, которая в миллион раз меньше, чем то, что показывает визуальный тест».

Технологическое решение тестирования

Inficon утверждает, что его недавно выпущенная технология ELT3000 может обнаруживать утечки литий-ионных ячеек в 1000 раз меньше, чем возможно с традиционными методами тестирования с использованием тестовых газов. Система обнаружения утечек использует вакуумную камеру, блок управления газом и блок обнаружения газа. Инженеры Inficon написали программное обеспечение, управляющее блоком управления газом и блоком обнаружения газа.

Использование системы квадрюпольного масс-спектрометра и способ, которым вакуумная камера подключается к блоку обнаружения газа, подчеркивают уникальность метода тестирования. Компания имеет зарегистрированный патент на это решение, отметил д-р Даниэль Ветциг, менеджер по исследованию инструментов обнаружения утечек Inficon.

Во время процесса обнаружения утечек ELT3000 на мешочковых ячейках, заполненных электролитом, тестовое оборудование защищает мягкий мешочок ячейки. «Система обеспечивает мягкую инкапсуляцию мешочковой ячейки гибкой мембраной, так что тестируемый образец не повреждается», — сказал Паркер. Поверхность гибкой мембраны включает структуру, служащую отдельным граничным слоем. «Мы хотим, чтобы мешочковая ячейка была уютной и безопасной. Мы также не хотим, чтобы гибкая мембрана запечатывала дыру, по сути, маскируя утечку во время тестирования», — объяснил он.

По словам разработчиков ELT3000, система обеспечивает высокоточный тест на утечки литий-ионных батарейных ячеек, резко контрастируя с традиционными тестовыми процедурами. «Главное преимущество теста на утечки — батарейные ячейки уже заполнены растворителем электролита, поэтому нет необходимости в тестовых газах», — отметил Ветциг. ELT3000 может обрабатывать разные типы растворителей электролита, включая диметилкарбонат (DMC), этилметилкарбонат (EMC) и полипропилен (PP). Inficon начала выкатывать свое производственное оборудование для обнаружения утечек батарей для мешочковых, призматичных и цилиндрических ячеек в 2020 году.

Текущее традиционное тестирование пустых жестких призматичных или цилиндрических ячеек делается заполнением ячеек гелиевым тестовым газом для обнаружения утечек, пока ячейки в вакуумной камере. Электролиты вставляются в ячейки после «сухого» тестирования. Менее распространенный метод тестирования включает помещение заполненных электролитом ячеек в вакуумную камеру и воздействие на ячейки гелием под давлением, называемое «гелиевым бомбардированием». Утечки обнаруживаются, когда гелиевый тестовый газ выходит в вакуумную камеру.

Система обнаружения утечек ELT3000 Inficon была разработана исследователями компании в Кёльне, Германия, с использованием сенсорной технологии из североамериканского квартала компании в Сиракузах, штат Нью-Йорк. Разработка продукта разворачивалась в течение 30 месяцев. «Тест на утечки ELT3000 дает четкий ответ о герметичности ячейки и поэтому о сроке службы батареи», — по словам Ветцига.