Pruebas de fugas a alta velocidad de baterías de Ion-Litio en producción en serie

Para la fiabilidad operativa y la durabilidad de las baterías de tracción moderna, la hermeticidad de sus componentes más pequeños es crucial: las celdas de baterías de ion-litio. Las carcasas de todas las celdas de baterías deben someterse a pruebas de fuga durante la producción. No debe permitirse que el electrolito inflamable se escape, ni que la humedad atmosférica penetre en la celda de batería, ya que el agua puede reaccionar con el electrolito y formar ácido fluorhídrico corrosivo. Además, las celdas con fugas reducen la capacidad y la vida útil de las baterías de tracción. Durante la producción, es esencial realizar pruebas de fugas para garantizar la calidad.

El detector de fugas de baterías ELT3000 PLUS de INFICON detecta directamente las fugas de disolvente electrolítico de una celda de batería dentro de una cámara de prueba. Esto lo hace mucho más fiable que otros métodos de prueba de fuga, como las de caída de presión o de bombardeo con helio. INFICON ha diseñado el ELT3000 PLUS para que sea tan adecuado para su uso en estaciones de trabajo manuales en departamentos de desarrollo como para el control de calidad en líneas de producción automatizadas. ELT3000 PLUS satisface la necesidad de pruebas rápidas, que es un factor importante en la producción en serie.

Entre las medidas para reducir los tiempos de ciclo figuran:

• el uso de una cámara de vacío con el menor  volumen muerto posible
• el uso de una bomba de vacío externa de alta capacidad junto con válvulas adicionales para la evacuación y venteo de la cámara de pruebas
• la limpieza de residuos electrolíticos en las baterías antes del ciclo de prueba

Los parámetros de prueba predeterminados del ELT3000 PLUS para una cámara de pruebas  de 1 lt de volumen libre (volumen de la cámara de pruebas menos el volumen de la pieza a probar)  son 5 seg. de limpieza para depurar los residuos de electrolito de la superficie de las baterías, 32 seg. de evacuación de la cámara de vacío a aproximadamente 5 mbar abs., 6 segundos de prueba de fuga y 4 seg. para ventear  la cámara de vacío, es decir, 47 seg. en total. A esto hay que añadir los tiempos de proceso de carga y descarga de las baterías dentro de la cámara. Si, por el contrario, se utiliza una bomba externa con una capacidad de 100 lt por minuto para la misma cámara de pruebas, el tiempo de evacuación se reduce de 32 seg. a 12 seg. 

En el caso de baterías previamente limpiadas (por ejemplo, con láser), pueden omitirse 5 seg. adicionales de tiempo de limpieza, lo que da como resultado una considerable reducción global del ciclo de medición de 47 seg.  a 22 seg.

Una segunda opción muy eficaz para aumentar la productividad de las pruebas de fugas en baterías con electrolito con un solo ELT3000 PLUS es el uso paralelo de varias cámaras de prueba. Mientras se está realizando una medición en una cámara, se puede cargar una segunda cámara de pruebas y preevacuar una tercera (y posiblemente una cuarta, dependiendo del tamaño de las cámaras y del tiempo de evacuación).  El ELT3000 PLUS funciona casi exclusivamente en modo de medición, por lo que puede ahorrarse el tiempo de evacuación y así aumentar considerablemente su rendimiento.

Sin embargo, un análisis más a fondo muestra que, para las pruebas de fuga, el rendimiento es a menudo una variable aún más importante que el tiempo de ciclo. El rendimiento durante las pruebas puede aumentarse notablemente mediante el método de pruebas por lotes.

Supongamos que se van a probar lotes de 16 baterías cilíndricasdel tipo 21700 cada una en el sistema descrito con una bomba de vacío externa y con DMC como disolvente esencial.  Con un tiempo de ciclo de 22 seg., se obtiene un tiempo de prueba de 1,4 seg. por cada batería. Si el lote se aumenta a 64 baterías cilíndricas, resultaría en una prueba de batería cada 0,3 seg. 
Si una prueba de lote revela una fuga, la batería con la fuga debe identificarse en una estación de prueba manual. Para ello, el tamaño del lote se reduce a la mitad y a medida que se van dividiendo y probando los lotes,  se ignoran los lotes que no muestren fugas,  y al llegar a un lote de una sola batería, la batería defectuosa se detectará fácilmente. Con 16 baterías en el lote original, este principio da lugar a cuatro etapas de prueba adicionales; con 64 células, son necesarias seis etapas de división.

En este contexto, es una cuestión de optimización de que tamaño de lote tiene sentido para una aplicación específica. El lote ideal para garantizar la calidad en la producción en línea sólo puede determinarse individualmente. Por ejemplo, supongamos una tasa típica de baterías defetuosas es del 0,5% de la producción. Con un tamaño de lote de 16 pueden inspeccionarse unas 20.900 baterías en un turno con un tiempo de ciclo de 22 segundos. Sin embargo, esto incluye un promedio de 105 lotes de 16 que contienen baterías con fugas. Suponiendo que se requiere 30 seg. para cada inspección manual después de uno de los cuatro pasos de reducción a la mitad de los lotes, el tiempo requerido será de unas 3,5 hrs. por turno para la identificación manual de todas las baterías con fuga. Si, por el contrario, en este ejemplo trabajamos con un tamaño de lote de 64 baterías, podrán inspeccionarse 83.800 baterías por turno, pero con un promedio de 420 lotes con baterías defectuosas. Al mismo tiempo, el número de pasos de reducción a la mitad necesarios aumenta a seis para los lotes de 64 baterías. Esto da como resultado un tiempo necesario de unas 20,9 hrs. por turno para la identificación manual de las baterías con fugas.

Básicamente, para todos los tipos de batería Ion-Litio, hay dos pasos en el proceso de fabricación en las cuales se  pueden realizar pruebas de fugas muy útiles con el ELT3000 PLUS: después del llenado y sellado, y después de la formación de las baterías. Las pruebas después del sellado permite evitar que la labor de formación de baterías con fugas sea innecesaria y, al mismo tiempo, excluir cualquier riesgo debido a la formación de baterías con fugas. Una segunda prueba, después de la formación, puede identificar fugas causadas por la manipulación, lo que es particularmente posible con las baterías de bolsa, y al mismo tiempo garantiza que sólo las baterías sin fugas se sigan procesando hasta el final.