Comprender lo que se hace durante la prueba de fugas

El helio es probablemente el gas trazador más conocido para las pruebas de fugas en vacío. Es un estándar establecido. Por este motivo, los índices de fuga de electrolito de las celdas de las baterías suelen calibrarse en forma de índices de fuga equivalentes al helio. Sin embargo, los índices de fuga de líquidos dependen en gran medida de las propiedades del líquido respectivo. Como éstas no suelen conocerse con precisión, todos los dispositivos de la serie ELT, es decir, tanto el  ELT3000 PLUS como el ELT Vmax, muestran un índice de fuga equivalente de helio normalizado para un 100 por cien de dimetilcarbonato (DMC) y una presión de llenado atmosférica.

Esto significa que una calibración con la fuga de prueba E-Check, por ejemplo, sólo puede conducir a una tasa de fuga exacta equivalente al helio si las celdas de la batería se llenaran con DMC puro a presión atmosférica. . Sin embargo, las celdas de batería reales sólo tendrán un cierto porcentaje de DMC en su interior y, a menudo, también tendrán una cierta subpresión.

La diferencia exacta entre los dos índices de fuga, incluso con una calibración cuidadosa, depende de muchos factores. Dos ejemplos que utilizan un modelo de cálculo simplificado ilustran lo grande que puede ser la diferencia en la práctica. Es importante tenerlo en cuenta a la hora de determinar un índice de fuga de rechazo adecuado.

Un hecho fundamental de la física es que una tasa de fuga nunca puede ser realmente cero. E incluso si el índice de fuga pudiera ser cero, no habría forma de medirlo. Por lo tanto, establecer un índice de fuga límite de cero no tiene sentido. Más bien, es importante definir la tasa de fuga de rechazo de tal manera que no puedan producirse más modos de error perjudiciales para las células.

Consecuencias graves causadas por una célula con fugas

• Pérdida de electrolito líquido con la correspondiente pérdida de capacidad
• La entrada de humedad, al reaccionar con el electrolito, forma ácido fluorhídrico corrosivo, lo que provoca fugas aún mayores y una mayor pérdida de capacidad.
• Pérdida de integridad mecánica en las células de la bolsa

Es fundamental hacer todo lo posible para evitar el intercambio de líquidos y gases entre la celda de la batería y la atmósfera. Los requisitos específicos de los índices de fuga para ayudar a evitarlo se tratan en la sección 3 más adelante.

No todas las fugas en una pila tienen consecuencias ruinosas. Durante la fabricación, las pilas se llenan de líquido. Aunque existe una correlación directa entre el diámetro de la fuga y el índice de fuga en el caso de las fugas de gas, no ocurre lo mismo con las fugas de líquido (al menos no en una amplia gama de diámetros de canal de fuga). Así pues, la buena noticia es que las fuerzas capilares pueden hacer que el líquido del canal de fuga simplemente lo bloquee. Y a través de ese canal de fuga bloqueado, ni el líquido ni el gas pueden penetrar en la célula de la batería, ni pueden escapar. Esto significa que un canal de fuga bloqueado puede considerarse estanco.

En un detallado Documento de la SAE sobre las pruebas de las pilas de iones de litio, describimos de forma exhaustiva y cuantitativa el fenómeno del bloqueo del canal de fuga y los índices de fuga resultantes. En los dos estudios de casos que se presentan a continuación, establecimos las tasas de fuga de rechazo que se bloquearían con electrolito líquido.

• Los canales de fuga que existían originalmente en la célula con fugas pueden obstruirse.
• La repetibilidad de las mediciones no es posible con una célula con fugas (véase el punto 5).
• De este modo, no se trabaja con una tasa de fuga certificada.
• Como componente defectuoso, una célula con fugas es intrínsecamente inestable.
• Es extremadamente difícil conseguir el índice de fugas deseado manipulando deliberadamente la célula de la batería.
• Una "calibración" por célula con fugas no crea ninguna fiabilidad en el proceso.

En este contexto, es mucho más conveniente utilizar una fuga de calibración certificada como el E-Check 2.0 de INFICON. El E-Check 2.0 se llena con disolvente electrolítico DMC, se integra en la cámara de vacío y está siempre listo para funcionar. Esto significa que también es posible realizar mediciones de prueba automáticas que duran sólo unos segundos a intervalos preestablecidos, por ejemplo, cada dos horas o al comienzo de cada turno. A diferencia de una célula defectuosa, la fuga de calibración certificada es estable frente a influencias externas y tiene una tasa de fuga definida y siempre repetible. El resultado: máxima seguridad de proceso para sus pruebas en línea totalmente automáticas.

Si prueba la misma célula con fugas una segunda vez en rápida sucesión, medirá una tasa de fugas diferente, normalmente ligeramente inferior a la anterior. Esto lleva a algunos usuarios a sacar conclusiones erróneas. Esto no significa que el dispositivo de prueba no sea fiable, sino que es una característica real del canal de fuga.

Es el principio de la prueba directa de fugas electrolíticas: el disolvente electrolítico que penetra a través de un canal de fuga se evapora en el vacío de la cámara de prueba. Esto lo convierte en un gas de prueba, por así decirlo, cuya concentración es detectada por el espectrómetro de masas del dispositivo de prueba. Como resultado, la concentración del disolvente electrolítico en el canal de fuga se reduce inicialmente con cada medición en el vacío. Las mediciones posteriores sólo muestran una concentración reducida del disolvente y dan como resultado una tasa de fuga correspondientemente menor.

Sin embargo, si se espera un período de tiempo (una hora o incluso mejor, más tiempo) entre dos mediciones, el disolvente electrolítico en el canal de fuga vuelve a su concentración original por difusión, lo que reduce significativamente el efecto de la fuga aparentemente decreciente.

El siguiente gráfico muestra un ejemplo de este efecto en el transcurso de seis mediciones - utilizando tres células con fugas de diferentes tamaños.

La conclusión decisiva de todas estas consideraciones: La tasa de fugas determinada por la primera medición original sigue siendo correcta. Si poco después se volviera a comprobar la misma célula con fugas, la concentración de disolvente electrolítico medible y, por tanto, el índice de fugas medible, serían menores. Sin embargo, la razón de esto no es un mal funcionamiento o una falta de fiabilidad del proceso en su sistema de prueba, sino la física del canal de fuga.