Precisión Mejorada en Pruebas de Fugas de Baterías EV para Paquetes de Iones de Litio Más Seguros

La exposición al vapor de agua es una sentencia de muerte para las baterías de iones de litio (Li-ion) usadas en vehículos híbridos-eléctricos y eléctricos (EV). Si la humedad entra en la celda de la batería y reacciona con el electrolito, crea ácido. Y ese ácido puede crear una reacción exotérmica, llevando a una fuga térmica —un incendio interno.

El daño catastrófico de la celda es el peor escenario, pero cualquier fuga de celda que permita la intrusión de ácido es problemática. "Si una fuga de ácido está extendida en el paquete, eso es tanto un problema de garantía como un cliente insatisfecho", dijo Thomas Parker, gerente de ventas de mercado automotriz en Inficon, fabricante de instrumentos para análisis de gases.

Aunque usar un gas trazador y equipo asociado es común hoy para la detección de fugas en paquetes de baterías, encontrar una fuga a nivel de celda es una tarea muy diferente. Tres tipos principales de celdas de batería —cilíndricas, prismáticas y de bolsa— se usan actualmente en EVs, con las celdas de bolsa ganando popularidad debido a su menor peso. Las bolsas de celdas al vacío-presurizadas típicamente pasan por inspección visual por trabajadores para determinar si alguna se ha abombado hacia afuera durante el almacenamiento y envío.

"Es importante saber que una fuga que causaría una bolsa hinchada en una semana no refleja el tamaño de una fuga que ocurre con ingreso de humedad durante meses o años", dijo Parker a la revista Automotive Engineering de SAE. "Queremos saber sobre una fuga que es un millón de veces más pequeña que lo que una prueba visual indicaría."

Solución Tecnológica de Prueba

Inficon afirma que su tecnología ELT3000 recién lanzada puede detectar fugas de celdas Li-ion 1,000 veces más pequeñas que lo posible con métodos de prueba convencionales usando gases trazadores. El sistema de detección de fugas emplea una cámara de vacío, una unidad de control de gas y una unidad de detección de gas. Los ingenieros de Inficon escribieron el software que opera la unidad de control de gas y la unidad de detección de gas.

El uso del sistema de un espectrómetro de masa cuadrupolo y la forma en que la cámara de vacío se conecta a la unidad de detección de gas destacan la singularidad del método de prueba. La compañía tiene una patente registrada para esta solución, señaló el Dr. Daniel Wetzig, gerente de investigación de Inficon para herramientas de detección de fugas.

Durante el proceso de detección de fugas ELT3000 en celdas de bolsa llenas de electrolito, el equipo de prueba protege la suave bolsa de la celda. "El sistema proporciona encapsulamiento suave de la celda de bolsa con una membrana flexible para que la muestra probada no se dañe", dijo Parker. La superficie de la membrana flexible incluye una estructura que sirve como capa de límite separada. "Queremos que la celda de bolsa esté cómoda y segura. Tampoco queremos que la membrana flexible selle un agujero, esencialmente cubriendo una fuga durante la prueba", explicó.

Según los desarrolladores de ELT3000, el sistema proporciona una prueba de fuga altamente precisa en celdas de baterías Li-ion, contrastando marcadamente con los procedimientos de prueba tradicionales. "La principal ventaja de la prueba de fuga es que las celdas de batería ya están llenas con solvente de electrolito, así que no hay necesidad de gases de prueba", señaló Wetzig. ELT3000 puede manejar diferentes tipos de solvente de electrolito incluyendo carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de etil-metilo (EMC) y polipropileno (PP). Inficon comenzó a lanzar su equipo de producción de detección de fugas de baterías para celdas de bolsa, prismáticas y cilíndricas en 2020.

Las pruebas convencionales actuales de celdas prismáticas o cilíndricas de carcasa dura vacías se hacen llenando las celdas con gas trazador helio para detectar fugas mientras las celdas están en una cámara de vacío. Los electrolitos se insertan en las celdas después de la prueba "en seco". Un método de prueba menos común implica colocar las celdas llenas de electrolito en una cámara de vacío y exponer las celdas a helio bajo presión, conocido como "bombardeo de helio". Las fugas se detectan cuando el gas trazador helio escapa a la cámara de vacío.

El sistema de detección de fugas ELT3000 de Inficon fue desarrollado por investigadores de la compañía en Colonia, Alemania, usando tecnología de sensores de la sede norteamericana de la firma en Syracuse, NY. El desarrollo del producto se desarrolló durante 30 meses. "La prueba de fuga ELT3000 da una respuesta clara sobre la estanqueidad de la celda y por lo tanto sobre la vida útil de la batería", según Wetzig.