Précision accrue dans les tests d'étanchéité des batteries EV pour des packs lithium-ion plus sûrs

L'exposition à la vapeur d'eau est une sentence de mort pour les batteries lithium-ion (Li-ion) utilisées dans les véhicules hybrides et électriques (VE). Si l'humidité pénètre dans la cellule de batterie et réagit avec l'électrolyte, elle crée de l'acide. Et cet acide peut créer une réaction exothermique, conduisant à un emballement thermique — un incendie interne.

Les dommages catastrophiques de la cellule sont un scénario catastrophe, mais toute fuite de cellule permettant l'intrusion d'acide est problématique. « Si une fuite d'acide est généralisée dans le pack, c'est à la fois un problème de garantie et un client mécontent », a déclaré Thomas Parker, responsable des ventes marché automobile chez Inficon, fabricant d'instruments d'analyse de gaz.

Bien que l'utilisation d'un gaz traceur et d'équipements associés soit courante aujourd'hui pour la détection de fuites au niveau du pack de batteries, trouver une fuite au niveau de la cellule est une tâche très différente. Trois principaux types de cellules de batterie — cylindrique, prismatique et pouch — sont actuellement utilisés dans les VE, les cellules pouch gagnant en popularité en raison de leur poids plus léger. Les cellules pouch sous vide-pression subissent généralement une inspection visuelle par des ouvriers pour déterminer si l'une a gonflé vers l'extérieur pendant le stockage et l'expédition.

« Il est important de savoir qu'une fuite qui provoquerait un gonflement de la poche en une semaine ne reflète pas la taille d'une fuite qui se produit avec l'ingression d'humidité sur des mois ou des années », a déclaré Parker au magazine Automotive Engineering de SAE. « Nous voulons connaître une fuite qui est un million de fois plus petite que ce qu'un test visuel indiquerait. »

Solution technologique de test

Inficon affirme que sa technologie ELT3000 nouvellement publiée peut détecter les fuites de cellules Li-ion 1 000 fois plus petites que ce qui est possible avec les méthodes de test conventionnelles utilisant des gaz traceurs. Le système de détection de fuites utilise une chambre à vide, une unité de contrôle de gaz et une unité de détection de gaz. Les ingénieurs d'Inficon ont écrit le logiciel qui fait fonctionner l'unité de contrôle de gaz et l'unité de détection de gaz.

L'utilisation par le système d'un spectromètre de masse quadrupolaire et la manière dont la chambre à vide se connecte à l'unité de détection de gaz soulignent l'unicité de la méthode de test. La société a un brevet enregistré pour cette solution, a noté le Dr Daniel Wetzig, responsable de la recherche pour les outils de détection de fuites chez Inficon.

Pendant le processus de détection de fuites ELT3000 sur des cellules pouch remplies d'électrolyte, l'équipement de test protège la poche de cellule souple. « Le système fournit une encapsulation douce de la cellule pouch avec une membrane flexible de sorte que l'échantillon testé n'est pas endommagé », a déclaré Parker. La surface de la membrane flexible comprend une structure qui sert de couche limite séparée. « Nous voulons que la cellule pouch soit confortable et en sécurité. Nous ne voulons pas non plus que la membrane flexible scelle un trou, masquant essentiellement une fuite pendant le test », a-t-il expliqué.

Selon les développeurs de l'ELT3000, le système fournit un test de fuite hautement précis sur les cellules de batterie Li-ion, contrastant fortement avec les procédures de test traditionnelles. « L'avantage principal du test de fuite est que les cellules de batterie sont déjà remplies de solvant d'électrolyte, donc il n'y a pas besoin de gaz de test », a noté Wetzig. L'ELT3000 peut gérer différents types de solvants d'électrolyte, y compris le carbonate de diméthyle (DMC), le carbonate d'éthylméthyle (EMC) et le polypropylène (PP). Inficon a commencé à déployer son équipement de production de détection de fuites de batteries pour les cellules pouch, prismatiques et cylindriques en 2020.

Les tests conventionnels actuels de cellules prismatiques ou cylindriques à boîtier dur vides sont effectués en remplissant les cellules avec du gaz traceur hélium pour détecter les fuites tandis que les cellules sont dans une chambre à vide. Les électrolytes sont insérés dans les cellules après les tests « à sec ». Une méthode de test moins courante consiste à placer les cellules remplies d'électrolyte dans une chambre à vide et à exposer les cellules à l'hélium sous pression, appelée « bombardement à l'hélium ». Les fuites sont détectées lorsque le gaz traceur hélium s'échappe dans la chambre à vide.

Le système de détection de fuites ELT3000 d'Inficon a été développé par les chercheurs de l'entreprise à Cologne, en Allemagne, en utilisant la technologie de capteurs du siège nord-américain de la société à Syracuse, NY. Le développement du produit s'est étalé sur 30 mois. « Le test de fuite ELT3000 donne une réponse claire sur l'étanchéité de la cellule et donc sur la durée de vie de la batterie », selon Wetzig.