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4-2022

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Batteriebrände durch

Batteriebrände durch Sicherheitstests vermeiden Meilhaus Electronic www.meilhaus.de unter Verwendung von Material von HIOKI Batterien als Quellen und Speicher für elektrische Energie spielen schon lange eine wichtige Rolle im täglichen Leben. Egal ob als wiederaufladbare Akkus oder Einweg- Batterien, als große Starter-Batterien im KFZ/LKW, Stabbatterien in Taschenlampen oder als winzige Knopfzellen in Armbanduhren. Mit der Verbreitung von Technologien wie den Mobilgeräten (Tablet, Smartphones), Laptops, Power-Banken, IoT und nicht zuletzt auch der E-Mobilität hat die Batterietechnik noch einen weiteren Schub erhalten und immer leistungsfähigere Akku- Typen basierend auf verschiedenen Materialien hervorgebracht, allen voran Lithium. Zudem erfordern auch regenerative Energien eine Speicherung elektrischer Energie – schließlich produzieren Windkrafträder oder Solarzellen den Strom nicht immer dann, wenn er gerade auch benötigt wird. Hinzu kommt, dass viele elektronische Geräte heute Zustände oder Daten über lange Zeiträume speichern können und dazu eine Datenpufferung durch Batterien verwenden. Im Rahmen der Forderung nach energieeffizienten, ressourcenschonenden und zuverlässigen Energiespeichern wird das Charakterisieren und Prüfen von Batterien in allen Lebenszyklen immer wichtiger – von der Entwicklung über Produktion, Qualitätsmanagement bis hin zum Qualitätssicherung Prüfen des Isolationswiderstands von Lithium-Ionen-Batterien Bild 1: HIOKI ST5520 schnelles Isolationsprüfgerät/Isolationswiderstandsmessgerät täglichen Einsatz. Je nach Anwendungsbereich kann dabei der Fokus auf unterschiedlichen Aspekten liegen. Für Applikationen in der Medizintechnik (als Beispiel: Batterien für Herzschrittmacher) sind die Anforderungen an Langlebigkeit und Sicherheit natürlich ganz andere, als zum Beispiel an eine Batterie im „Deko-Solar-Gartenlämpchen“. Auch die Brandgefahr spielt bei der Sicherheitsprüfung von Batterien für viele Einsatzbereiche eine wichtige Rolle. Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie Vereinfacht dargestellt bestehen Lithium-Ionen-Batterien aus einer Kathode, einer Anode (je nach Ladeoder Entlade-Vorgang), einem Separator, einem Elektrolyt, einem Kollektor und einem Gehäuse. Kathode und Anode sind durch den Separator voneinander isoliert. Wird diese Isolierung beschädigt und kommt es dadurch zu einem Kurzschluss, so steigt die Temperatur der Batterie an. Dieser Zustand wird als thermischer Durchschlag bezeichnet. Er kann dazu führen, dass die Batterie zu brennen beginnt. Auch wenn die Schweißnähte zwischen den Materialien defekt sind, können wiederholte Lade- und Entladevorgänge dazu führen, dass sich die Schweißnähte erhitzen und entzünden. Kurzschlüsse zwischen Kathode und Anode können durch verschiedene Vorgänge verursacht werden. Dazu gehören äußere Einflüsse (zum Beispiel Stoß), Überladung, Materialverschlechterung/Alterung sowie Verunreinigungen mit winzigen Metallmengen. Solche Verunreinigungen in einer Batterie können sich allmählich im Elektrolyt auflösen und dann ausfallen und baumartige Ablagerungen bilden. Metall, das diesen Prozess durchlaufen hat, wird als Dendrit bezeichnet. Das Wachstum von Dendriten kann im Laufe der Zeit dazu führen, dass der Separator reißt, was zu einem Kurzschluss führt. Bild 2: Vereinfachter Prinzip-Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus 46 4/2022

Qualitätssicherung Bild 3: HIOKI SM7110/7120 Megohm-Messgeräte und Niedrigstromtester Isolationswiderstandsprüfung Wie funktioniert die Isolationswiderstandsprüfung von Lithium- Ionen-Batterien? Bei dieser Art der Prüfung wird der Isolationswiderstand zwischen den Anoden- und Kathoden-Elektroden der Batteriezellen sowie zwischen den Elektroden und dem Gehäuse gemessen. Die Isolationswiderstandsmessung ist ein wichtiger Test in Produktionslinien von Lithium-Ionen-Batterien zum Erkennen von Defekten. Wie beschrieben können Isolationsdefekte durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden. Die Prüfung im Produktionsprozess der Batteriezelle konzentriert sich auf das Erkennen von Defekten, die durch interne Kurzschlüsse verursacht werden. Testzeitpunkt Wann und wie sollte der Isolationswiderstand getestet werden? Üblicherweise wird zum einen vor dem Einfüllen des Elektrolyten in Batteriezellen zwischen der Anode und der Kathode jeder Zelle eine Gleichspannung angelegt und der Isolationswiderstand gemessen. Zum anderen wird nach dem Einfüllen des Elektrolyten in Batteriezellen die Gleichspannung zwischen den Elektroden und dem Gehäuse jeder Zelle angelegt und der Isolationswiderstand gemessen. 4/2022 Der Isolationswiderstand der Batteriezelle wird dabei mit einem Isolationswiderstandsprüfgerät (Isolationstester wie zum Beispiel HIOKI ST5520, SM7110 oder SM7120) gemessen, das speziell für die Messung mit hoher Isolierung geeignet ist. Isolationswiderstandsmessgeräte legen dabei eine Gleichspannung an. Sie erkennen den winzigen Strom, der beim Anlegen dieser Spannung fließt, und berechnen daraus den Widerstandswert. Isolationswiderstandsmessgeräte verfügen über ein eingebautes, hochempfindliches Amperemeter, das winzige Ströme genau erkennen kann. Isolationstester sind speziell für die Messung hoher Widerstandswerte geeignet. Die Referenzwerte (Widerstandswerte), die verwendet werden, um Zellen als defekt oder nicht defekt zu klassifizieren, hängen von der getesteten Batterie ab. Die Prüfspannung ist die Spannung, die der Isolationstester an die zu prüfende Zelle anlegt. Die entsprechende Prüfspannung variiert von Batterie zu Batterie. Im Allgemeinen wird eine Gleichspannung von 100 bis 200 V bei der Prüfung des Isolationswiderstands von Batteriezellen angewendet, wobei aktuell auch niedrigere Spannung wie 5 V oder 50 V zum Einsatz kommen. Der Ladestrom ist unter dem Gesichtspunkt der Verkürzung der Prüfzeiten ein wichtiger Aspekt. Der Ladestrom gibt die Größe des Stromausgangs durch den Isolationstester an. Aufgrund ihrer Struktur verfügen Batteriezellen über eine Doppelschichtkapazität. Folglich dauert es aufgrund der Kapazitätsladezeit einige Zeit, bis die Spannung auf die eingestellte Prüfspannung ansteigt. Da größere Ladeströme zu kürzeren Ladezeiten führen, kann die Testzeit reduziert werden, indem ein Gerät eingesetzt wird, das einen größeren Strom ausgeben kann. Automatische Entladefunktion und Kontakt-Check-Funktion Eine automatische Entladefunktion dient dazu, die Ladung, die sich in der Batterie ansammelt, zu entladen. Wenn die Testspannung angelegt wird, sammelt die Doppelschichtkapazität der Batterie eine Ladung an. Wird die Batterie im nächsten Prozess an ein Prüfgerät angeschlossen während sie noch geladen ist, könnte das Gerät beschädigt werden. Isolationstester verwenden entweder die Widerstandsmethode oder die Konstantstrom-Methode, um Entladungsfunktionen bereitzustellen. Beim Testen von Batteriezellen bietet das Konstantstrom-Verfahren eine schnellere Entladung, was sich in kürzeren Testzeiten niederschlägt. Kontaktprüfungsfunktion Für zuverlässiges Testen kann eine Kontaktprüfungsfunktion sehr hilfreich sein. Diese Funktion prüft den Kontaktzustand zwischen den Messsonden und dem zu messenden Objekt. Wenn die Messsonden nicht mit dem Objekt in Berührung kommen, könnte der Tester fälschlicherweise zu dem Schluss kommen, dass das Objekt nicht defekt ist. Denn der Isolationswiderstandswert ist auch dann hoch, wenn gar kein Kontakt hergestellt wurde. Der japanische Hersteller HIOKI (im Vertrieb für Deutschland bei Meilhaus Electronic, www.meilhaus.de/hioki/) hat sich unter anderem auf Leistungsanalyse und Batterietest spezialisiert. Die Isolationstester von HIOKI haben einen Widerstandsmessbereich je nach Modell bis 9990 MΩ, 10.000 PΩ oder 20.000 PΩ. Die DC-Prüfspannung liegt bei 1000 V oder 2000 V. Die Geräte verfügen über eine automatische Entladefunktion per Konstantstrom-Entladung und eine Kontakt-Check-Funktion. Schweißqualitätsprüfung von Lithium-Ionen-Batterien Wie schon erwähnt können auch unzureichende Schweißnähte zu Batteriedefekten und -bränden führen. Mehrere Komponenten von Lithium- Ionen-Batterien, darunter Elektroden-Metallfolien (Stromabnehmer), Laschen und Ausgangsklemmen, werden durch Laser- oder Ultraschallschweißen miteinander verbunden. Unzureichende Schweißnähte erhöhen den elektrischen Widerstand zwischen den Komponenten. Bei der Schweißqualitätsprüfung werden Widerstandswerte zwischen den Komponenten gemessen, um die Qualität der Schweißnähte sicherzustellen. Dazu wird ein DC-Widerstandsmessgerät eingesetzt, wie das HIOKI RM3545-02. Es ist speziell für die Messung mit niedrigem Widerstand ausgelegt. DC-Widerstandsmesser legen einen konstanten Gleichstrom an den Prüfpunkt an. Das Messgerät erkennt dann eine winzige Spannung, die durch den angelegten Strom erzeugt wird, und berechnet den Widerstandswert. Solche Widerstandsmessgeräte sind in DC- und AC-Varianten erhältlich. DC-Widerstandsmessgeräte können niedrige Widerstandswerte genauer messen als AC-Widerstandsmessgeräte. AC- Widerstandsmesser werden vor allem verwendet, um den Innenwiderstand von Batterien zu messen. ◄ 47

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