Úvod
NETZSCH Kalorimetr s více moduly (MMC)Kalorimetr s více režimy se skládá ze základní jednotky a vyměnitelných modulů. Jeden modul je připraven pro kalorimetrii s urychlováním (ARC), ARC-Modul. Druhý slouží ke skenovacím zkouškám (Scanning Module) a třetí a čtvrtý se týká baterií a polymerů, farmaceutických zkoušek pro mincové články (Coin Cell Module).Kalorimetr s více moduly (MMC) 274 Nexus® (obrázek 1) nabízí tři různé měřicí moduly. Modul Zrychlená kalorimetrie (ARC)Metoda popisující izotermické a adiabatické zkušební postupy používané k detekci tepelně exotermických rozkladných reakcí.ARC® lze použít pro takzvané testy Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search je režim měření používaný v kalorimetrických přístrojích podle kalorimetrie zrychlující se rychlostí (ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search je režim měření používaný v kalorimetrických přístrojích podle kalorimetrie zrychlující se rychlostí (ARC).HWS) nebo testy tepelného chodu [1][2]; Skenovací modulKalorimetrický modul, který je součástí kalorimetru Multipe Module Calorimeter (MMC) a umožňuje skenování vzorku. Tento postup může sloužit jako screeningová zkouška za účelem zjištění potenciálního tepelného nebezpečí v přiměřeně krátké době měření.skenovací modul je vhodný pro takové aplikace, jako je vyhodnocování endotermických nebo ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermických fázových přechodů a také pro screening tepelného nebezpečí [3][4]; a modul mincovních článků je specializovaný pro vyšetřování baterií [5]. K modulu Coin Cell Module lze prostřednictvím konektoru LEMO snadno připojit externí jednotku pro cyklování baterií. Signály napětí a proudu lze přenášet do vyhodnocovacího softwaru NETZSCH Proteus® . Výsledný výkonový signál je automaticky určen a lze jej nezávisle kvantifikovat pro nabíjení a vybíjení. Zjišťováním tepelných ztrát během nabíjení a vybíjení je možné vyhodnotit účinnost cyklování baterie. Za tímto účelem nabízí dvojitý nosič vzorků diferenciální nastavení podobné DSC (obr. 2).
small Vzhledem k tomu, že většina nedestruktivních IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických studií nabíjení a vybíjení baterií se provádí ve velmi širokém rozmezí teplot blízkém teplotě okolí, je nezbytné mít kalorimetr odpovídajícím způsobem kalibrovaný. Pro kalibraci teploty a citlivosti se obvykle používají kovy jako referenční materiály [6].
Určení stavu baterie
Pokud jde o používání systému pro ukládání energie, je vždy zajímavá jeho aktuální "naplněnost" - ať už jde o vyhodnocení zbývající doby provozu mobilního telefonu nebo notebooku, nebo o dojezd elektromobilu. Jestliže doba nabíjení mobilního telefonu nebo notebooku hraje spíše podružnou roli, v kontextu elektromobility může mít mimořádný význam.
Tonový model
Dobře popsat současný stav systému skladování energie může být obtížnější, než se na první pohled zdá. Podle [7] slouží k dobrému znázornění sudový model, který dobře vizuálně popisuje nejdůležitější vlivné faktory během používání a zejména ty, které jsou způsobeny procesy stárnutí (obr. 3). Model přirovnává systém skladování energie k sudu s deštěm, kde hladina kapaliny v sudu představuje aktuální stav nabití. Celkový objem v novém stavu odpovídá maximální kapacitě 100 %. Ve spodní části sudu je vývod pro "vybíjení" a v horní části vstup pro "nabíjení". Omezené průměry vstupního a výstupního otvoru znázorňují, že existuje omezení rychlosti, kterou lze sudy nabíjet nebo vybíjet. Toto omezení odpovídá vnitřnímu odporu akumulátoru. I když jsou vstup a výstup uzavřeny, sud časem ztrácí kapalinu, protože má otvory small a není tedy dokonale těsný. Tyto ztráty představují samovybíjení akumulátoru. Stárnutí akumulátoru je dále popsáno tvorbou "kamenů". Ty zmenšují využitelný objem sudu, a tím i kapacitu systému akumulace energie. Také hlaveň časem rezaví, čímž se zvyšuje počet otvorů small a tím i ztráty způsobené "samovybíjením".
Pomocí tohoto modelu, znázorněného na obrázku 3, lze popsat nejdůležitější procesy v provozu akumulátoru. Aktuální stav systému pro ukládání energie se také označuje jako "stav zdraví".
Ztráty při nabíjení a vybíjení
Bez ohledu na stav baterie dochází při každém nabíjení a vybíjení také k energetickým ztrátám. Všichni z vlastní zkušenosti víme, že mobilní telefony nebo notebooky se při intenzivním provozu a také během nabíjení zahřívají. Tento tepelný vývoj představuje energetické ztráty, protože množství takto uvolněného tepla není k dispozici pro skutečné využití prostřednictvím systému ukládání energie.
Pomocí senzoru v modulu mincovního článku Kalorimetr s více moduly (MMC)Kalorimetr s více režimy se skládá ze základní jednotky a vyměnitelných modulů. Jeden modul je připraven pro kalorimetrii s urychlováním (ARC), ARC-Modul. Druhý slouží ke skenovacím zkouškám (Scanning Module) a třetí a čtvrtý se týká baterií a polymerů, farmaceutických zkoušek pro mincové články (Coin Cell Module).MMC (obr. 2) lze tyto tepelné ztráty detekovat a kvantifikovat.
Řízení nabíjecích a vybíjecích cyklů
Lithium-iontové baterie jsou velmi citlivé na přebíjení, protože může snadno dojít k rozkladu elektrolytů. Proto běžné metody nabíjení obvykle omezují maximální nabíjecí napětí na 4,2 V [7]. Také v této práci byly nabíjecí a vybíjecí cykly lithium-iontového článku (LiR 2032) omezeny pomocí mezního napětí 4,2 V pro nabíjení a 2,5 V pro vybíjení. Výsledkem je cyklus uvedený jako příklad na obrázku 4. Po cyklu přednabíjení (zde není zobrazen) se Modul mincovního článkuKalorimetrický modul, který je součástí kalorimetru s více moduly (MMC) a umožňuje skenování a izotermické zkoušky kompletních mincí různých velikostí. Dvojitá konstrukce podobná DSC poskytuje diferenciální signál tepelné signatury během zahřívací rampy nebo nabíjení a vybíjení baterií. mincovní článek nabíjí při teplotě 25 °C konstantním proudem 45 mA až do mezního napětí 4,2 V 1 . V následné relaxační fázi 2 se Modul mincovního článkuKalorimetrický modul, který je součástí kalorimetru s více moduly (MMC) a umožňuje skenování a izotermické zkoušky kompletních mincí různých velikostí. Dvojitá konstrukce podobná DSC poskytuje diferenciální signál tepelné signatury během zahřívací rampy nebo nabíjení a vybíjení baterií. mincovní článek a snímač vrátí do tepelné rovnováhy. Dicharační fáze 3 je omezena mezním napětím 2,5 V a opět po ní následuje relaxační fáze 4.
Signály proudu a napětí se z cyklistické jednotky přenášejí do vyhodnocovacího softwaru NETZSCH Proteus® , kde se automaticky vypočítá výkonový signál. Pro určení ztrát během nabíjení a vybíjení lze tedy pro každý dílčí cyklus nezávisle určit investovaný výkon a uvolněné teplo. Tímto způsobem je možné indikovat, jaká část investované energie byla uvolněna jako teplo.
Obrázek 5 ukazuje, jak plošné vyhodnocení signálu tepelného toku nabíjecího procesu automaticky vypočítá investovanou energii (zde 411,6 J) a dá ji do poměru s naměřeným signálem tepelného toku (zde 11,12 J). Výsledkem je účinnost 97,3 %. U následného vybíjení činí účinnost pouze 89,9 % v důsledku výrazně vyšší produkce tepla.
Různé rychlosti nabíjení a vybíjení
Probíhají-li nabíjecí a vybíjecí cykly různou rychlostí podle výše uvedených kritérií vypínání, je vidět, že energie absorbovaná systémem ukládání energie, a tedy samozřejmě i množství energie dostupné při vybíjení, velmi silně závisí na příslušné rychlosti (obr. 6). Pokud je identický článek (LiR 2032) nabíjen rychlostí 45 mA (C/1), je absorbováno 415 J, zatímco při rychlosti nabíjení C/8 (5,6 mA) je absorbováno téměř 550 J.
Teplota, při které je akumulátor cyklován, má rovněž vliv na množství absorbované energie a účinnost nabíjení a vybíjení. Obrázek 7 znázorňuje absorbované energie nabíjecích cyklů při různých teplotách.
Souhrn
Pomocí modulu Kalorimetr s více moduly (MMC)Kalorimetr s více režimy se skládá ze základní jednotky a vyměnitelných modulů. Jeden modul je připraven pro kalorimetrii s urychlováním (ARC), ARC-Modul. Druhý slouží ke skenovacím zkouškám (Scanning Module) a třetí a čtvrtý se týká baterií a polymerů, farmaceutických zkoušek pro mincové články (Coin Cell Module).MMC Coin Cell Module 274 Nexus® byl zkoumán dobíjecí Modul mincovního článkuKalorimetrický modul, který je součástí kalorimetru s více moduly (MMC) a umožňuje skenování a izotermické zkoušky kompletních mincí různých velikostí. Dvojitá konstrukce podobná DSC poskytuje diferenciální signál tepelné signatury během zahřívací rampy nebo nabíjení a vybíjení baterií. mincovní článek LiR 2032 při různých teplotách a různých rychlostech nabíjení s ohledem na teplo, které při tom vzniká. Pro nabíjecí cykly bylo použito horní a dolní mezní napětí 4,2 V a 2,5 V. Výkon, který cyklická jednotka dodává akumulátoru během nabíjení, lze kvantifikovat z proudových a napěťových signálů cyklické jednotky. Teplo uvolňované během tohoto procesu se měří přímo snímačem modulu mincovních článků. Poměr výkonu přenášeného do akumulátoru a množství uvolněného tepla umožňuje nezávisle určit účinnost pro nabíjecí a vybíjecí proces. Bylo prokázáno, že jak absorbovaný výkon, tak příslušná účinnost nabíjení a vybíjení jsou silně závislé na rychlosti nabíjení a teplotě.