Elektromobilität gewinnt an Bedeutung – weltweit. Mit der Zahl der Electric Vehicles (EV) und der Plug-in-Hybrid-Electric-Vehicles (PHEV) wächst auch die Zahl der benötigten Batterien. Die Traktionsbatterie ist zugleich ein erfolgskritisches Verschleißteil und ein potenzieller Gefahrenherd. Zum einen können sie – wenn auch nur sehr selten – durch Einbringung externer Energie oder einen Kurzschluss der Elektroden in Brand geraten. Zum anderen sind die Besitzer der E-Autos nicht bereit, nach wenigen Jahren eine hohe Summe in eine neue Antriebsbatterie zu investieren, um wieder eine brauchbare Reichweite zu erreichen. Automobilhersteller und Zulieferer kommen daher in ihren Fertigungsprozessen um geeignete Dichtheitsprüfmethoden nicht herum. Denn der Elektrolyt der Batteriezellen darf keinesfalls austreten oder mit Wasser oder Luftfeuchtigkeit in Berührung kommen. Inficon aus Köln, Hersteller von Dichtheitsprüfgeräten, hat in der folgenden Checkliste zusammengestellt, welche Anforderungen es auf den diversen Stufen des Fertigungsprozesses von Traktionsbatterien gibt.

1. Dichtheit der einzelnen Batteriezellen

Wenn Elektrolyt mit Wasser reagiert, entsteht Flusssäure, die die Batteriezelle zerstört. Am Ende der Lebensdauer einer Zelle sollte die Wasserkonzentration im Elektrolyt so gering wie möglich sein. Darum müssen schon die kleinsten Einheiten einer Traktionsbatterie – die Batteriezellen – dicht sein. Nach Bauform unterscheidet man zwischen prismatischen, Rund- und Pouchzellen. Als Richtwert gilt, dass nach zehn Jahren die Konzentration des im Elektrolyt gelösten Wassers kleiner als 80 ppm sein sollte. Geht man von einer durchschnittlichen Luftfeuchtigkeit von 50 Prozent aus, ergibt sich daraus eine maximal zulässige Leckgröße von 10-6 mbar∙l/s. Dieser Forderung nach zuverlässiger Gasdichtheit lässt sich nur durch moderne Prüfgasverfahren entsprechen, etwa durch eine Helium-Prüfung in einer Vakuumkammer.

2. Thermal Runaway auf dem Transportweg vermeiden

Aktuell kommen die meisten Batteriezellen aus asiatischen Fertigungsanlagen – und leider sind Beschädigungen von Batteriezellen auf ihrem Weg aus Übersee keine Seltenheit. Dies kann schon beim Transport selbst Konsequenzen haben. So dürfen Lithium-Ionen-Batterien und -Zellen wegen ihrer Brandgefährlichkeit nicht mehr als Fracht in Passagierflugzeugen transportiert werden. Auch Schiffscontainer wurden schon häufiger völlig zerstört. Denn der sogenannte Thermal Runaway einer einzelnen Batteriezelle – beispielsweise durch einen internen Kurzschluss verursacht – kann dazu führen, dass sich schließlich der gesamte Schiffscontainer durch den brennenden Elektrolyt der Zellen auf bis zu 1.100 °C aufheizt und explodiert. Daher prüfen asiatische Zulieferer ihre Zellen genauestens auf Dichtheit.

3. Erst ein Wareneingangstest sichert die Qualität

Viele Experten und Wissenschaftler vertreten daher die Ansicht, ein effizienter Wareneingangstest sei für deutsche Hersteller und Zulieferer unverzichtbar. Prinzipiell könnten Weiterverarbeiter Batteriezellen aus Asien auch leer beziehen und selbst mit Elektrolyt befüllen, verschließen und formatieren. Dann ist allerdings ebenfalls eine Dichtheitsprüfung notwendig. Zu den neuralgischen Stellen prismatischer Zellen zählen beispielsweise die Schweißnähte zwischen der Deckplatte und den Elektrodenkontakten, bei Rundzellen die gecrimpten Verbindungen zwischen dem zylindrischen Gehäuse und den Elektroden und bei den weichen Pouch-Zellen unter anderem die Leckstellen an der Versiegelung des Beutels.

4. Gehäuse sollen Batteriemodule und -packs vor Wasser schützen

Batteriezellen werden zunächst zu Batteriemodulen zusammengebaut, aus denen dann Batteriepacks entstehen. Einige deutsche OEMs übernehmen diese Produktionsschritte derzeit schon selbst, andere beziehen ihre kompletten Batteriepacks von deutschen Tier-1-Suppliern. Gehäuse von Batteriepacks müssen die enthaltenen Module und Zellen vor Wasser schützen und den Schutzklassen IP67 oder IP69K entsprechen – etwa wenn das Gehäuse potenziell dem Strahl eines Hochdruckreinigers ausgesetzt sein kann. Die Grenzleckraten hängen vom Gehäusematerial ab. Für Kunststoff- oder Stahl-Gehäuse prüft man gegen Leckraten im Bereich 10-3 bis 5 x 10-3 mbar∙l/s, bei Aluminiumgehäusen sind es 10-5 mbar∙l/s. Dafür empfiehlt sich eine Schnüffellecksuche mit Prüfgasen, die oft automatisiert mit einem Roboterarm durchgeführt wird.

5. Gute Kühlung sichert Lebensdauer

Auch die Zuverlässigkeit der Kühlung einer Traktionsbatterie wirkt sich auf ihre Betriebssicherheit und Lebensdauer aus, denn Batterien heizen sich im Fahrbetrieb und bei Ladevorgängen auf. Darum müssen sowohl die Batteriezellen als auch das elektronische Steuergerät (ECU) der Traktionsbatterie gekühlt werden. Prinzipiell sind eine passive Luftkühlung oder eine aktive Flüssigkeitskühlung möglich. Bei letzterer gibt es entweder Wasser-Glykol-Gemische oder Kältemittel wie R1234yf. Die konkreten Dichtheitsanforderungen hängen vom Kühlmedium ab. Bei einem Wasser-Glykol-Gemisch beträgt die Grenzleckrate 10-3 mbar∙l/s. Bei einem Kältemittel wie R1234yf sollte gegen eine Leckrate von ungefähr 10-5 mbar∙l/s getestet werden, was ebenfalls den Einsatz von Prüfgasverfahren erforderlich macht.

Ein Whitepaper über die „Elektromobilität und Dichtheitsprüfung – Eine Übersicht über die Prüfaufgaben in industriellen Fertigungsprozessen von Traktionsbatterien für EV/PHEV-Fahrzeuge“ können Sie hier kostenlos herunterladen.