Тестване на батерии с помощта на термичен анализ

В момента се полагат значителни усилия за изследване на батериите. Целта е да се намерят нови материали, които да позволяват по-добра плътност на енергията и мощността, както и по-ефективно съхранение на енергия. Това изисква сложна апаратура за производство и охарактеризиране на материали като анодни и катодни материали, сепаратори, електролити, гранични слоеве.

Ако разработвате или произвеждате суровини за акумулаторната индустрия, може би ще искате да:

• Характеризиране на нано/аморфни/слабо кристални материали
• Да разбирате поведението на материалите и тяхната стабилност в зависимост от температурата
• Да получите химическа идентификация на отделените газове (реакция, разлагане, десорбция)
• Разберете термичната стабилност на суровините за батерии
• Получаване на фазови трансформации, фазови диаграми
• Получаване на данни за топлинните свойства за включване в програми за топлинно моделиране на клетки и пакети

След като бъдат избрани нови суровини, проектирането на електроди води до въпроси, свързани с тяхното производство и използване. Ние от NETZSCH разполагаме с пълен набор от инструменти за характеризиране на тези електроди, сепаратори и електролити.

Ако разработвате или произвеждате компоненти за батерии, може да поискате да:

• Характеризирайте термомеханичните свойства, като например свиване и загуба на тегло по време на синтероване и термично разширение
• Да характеризирате топлопроводимостта на електрода
• Измерване на топлинния капацитет и топлопроводимостта на електроди със същата порьозност
• Подобрете термичната стабилност на вашия катод
• Анализирайте топлинното поведение на електрода при високо налягане
• Открийте проблеми с несъвместимостта между компонентите
• Разработване на методи за контрол на качеството за производство и увеличаване на мащаба на процеса

Всяко приложение има различни изисквания за производителност и ограничения. Нито една химия не е подходящо решение за всички приложения. Възможно е да се наложат промени в компонентите, когато нуждите на приложението се променят и когато станат достъпни нови технологии. Добре проектираната система за управление на топлината е от решаващо значение за живота и работата на акумулаторните клетки. В качеството си на електрохимични устройства батериите се влияят от температурата и продължителността на живота им. Високите температури увеличават страничните реакции и разлагането на междуфазовите граници, което съкращава живота на батерията и увеличава разходите за нейната подмяна.

Разработването на прецизно калибрирани акумулаторни системи разчита на точни измервания на топлината, генерирана от акумулаторните клетки по време на пълния диапазон от цикли на зареждане/разреждане, както и на поведението по време на тестове за злоупотреба.

Ако разработвате или произвеждате акумулаторни клетки, може да искате да:

• Да разберете влиянието на конструкцията на клетките върху работата на батерията
• Да знаете температурата, при която литиево-йонните клетки или техните компоненти могат да проявят силно екзотермична реакция
• Да знаете количеството енергия, отделяно по време на реакцията, скоростта на реакцията и нивата на налягане, възникващи в резултат на образувания разлагащ се газ
• Оценяване на влиянието на пробиване с пирон или смачкване на батерията

Когато батерията се зарежда или разрежда, се генерира и абсорбира топлина. Изотермичната калориметрия във връзка с циклерите за батерии е интелигентен начин за характеризиране на топлинния поток и следователно за анализиране на жизнения цикъл на батерията. Температурата, скоростта на зареждане/разреждане и дълбочината на разреждане оказват голямо влияние върху продължителността на цикъла на клетките. Новите конструкции на батерии (избор на нов материал и/или ново сглобяване на компоненти) могат да бъдат оценени благодарение на калориметричните измервания. Калориметърът за ускоряване на скоростта (ARC^®), оборудван с 3D сензор, позволява провеждане на изпитвания в изотермичен режим при пълна безопасност за инструмента и оператора.

Ако анализирате работата на батерията, може да поискате да:

• Събиране на точни данни за генерирането на топлина от модула на батерията
• Да проведете напълно безопасно изпитване за зареждане/разреждане, без да рискувате да унищожите уреда
• Да разберете дали е имало някакво влошаване на първоначалните характеристики
• Да получите характеристика на работата с течение на времето, за да оцените ефектите от стареенето и цикличността
• Оценяване на физическите и електрохимичните промени в дизайна, които могат да доведат до по-добри акумулаторни модули

Когато батериите са достигнали края на живота си, те се събират, за да бъдат възстановени или използвани отново в по-малко взискателни приложения, или се разглобяват и всеки отделен компонент се рециклира. Батериите са изградени от сглобки от различни полимери, оксиди и метални материали. Термичният анализ е полезен инструмент за характеризиране в тази област.

Ако се занимавате с рециклиране на батерии, може да поискате да:

• Да оцените възможността за физическо разделяне на основните й компоненти
• Да оцените ефективността на освобождаването на различни компоненти, когато батерията се превръща във фрагменти
• Да се характеризират всички компоненти на батерията, когато тя е фрагментирана
• Характеризирайте нано/аморфните/слабо кристалните рециклирани материали
• Разбиране на поведението на материалите при стабилност на рециклираните материали като функция на температурата

Технологията на литиево-йонните батерии предлага много предимства в областта на преносимото захранване, но една от основните грижи е безопасността. Разработчиците на батерии се нуждаят от инструменти, които им позволяват да проектират по-безопасни батерии, без да правят компромис с производителността.

Чрез схемата на "най-лошия сценарий" (термично бягство) адиабатната калориметрия може да предостави много подходящи отговори, включително температурата, при която литиево-йонните клетки или техните компоненти могат да проявят силно екзотермична реакция, и свързаното с нея налягане. С помощта на изотермичната калориметрия може директно да се получи информация за топлинното управление, получена чрез топлинното бягство.

Ако разработвате или произвеждате суровини за акумулатори, проектирате акумулаторни клетки и пакети, може да поискате да:

• Изследвате топлинното изтичане на батерията както в нормални, така и в неправомерни ситуации
• Да анализирате налягането, генерирано при експлозия на акумулаторна клетка в калориметър
• Да разберете при каква температура възниква вътрешно късо съединение поради разлагане на отделните компоненти
• Разберете какво се случва химически и термично, когато вътрешното късо съединение води до горещи точки в клетката
• Да проектират клетки, които са проектирани така, че да намалят вероятността от нарастване на горещите точки и консумацията на клетката
• Проектиране, select, или специфициране на устройства за термична безопасност (напр. вентилационни, CID, PTC) въз основа на данни за температурата и налягането в клетката по време на термично разлагане и да знаете колко добре работят тези устройства за намаляване на последствията от повреди
• Класифициране на отделните клетки по отношение на техните потенциални рискове и опасности
• Извършване на напълно безопасно изпитване за изотермичен заряд/разряд без риск от разрушаване на уреда
• Да се намали вероятността от верижна реакция на повреди на клетките поради пренос на топлина между съседни клетки

Препоръките на нашата Бяла книга за вас:

• Бяла книга: Безопасност на батериите (термично изтичане) - адиабатна калориметрия за авансово изпитване на батерии (английска версия)
• Бяла книга: Циклично движение на батерията - Изотермична калориметрия за напреднало тестване на батерията (английска версия)