Bestemmelse af batteriets tilstand
Når det drejer sig om at bruge en energilagringsenhed, er dens aktuelle "fyldningsgrad" altid interessant - hvad enten det drejer sig om at vurdere den resterende driftstid for en mobiltelefon eller en bærbar computer eller med hensyn til rækkevidden for et elektrisk køretøj. Selvom opladningstiden kan spille en ret lille rolle for en mobiltelefon eller bærbar computer, kan den være af særlig betydning i forbindelse med elektromobilitet.
Det kan være sværere at beskrive den aktuelle tilstand for en energilagringsenhed, end det først ser ud til. En god illustration af en akkumulators aktuelle tilstand er tøndemodellen [1]. Denne model er allerede blevet beskrevet i detaljer i forbindelse med cyklingen af møntceller [2]. I det følgende vil varmeudviklingen under opladning og afladning af 18650-celler, dvs. betydeligt større batterier end møntceller, blive undersøgt.
NETZSCH ARC® 254
NETZSCH Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC® 254 (figur 1) er et Accelerating Rate Calorimeter, et instrument, der normalt bruges til at undersøge den såkaldte termiske runaway af individuelle stoffer eller reaktionsblandinger [3]. Med hensyn til cyklingen af batterier skal Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC® 254 dog bruges som et IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.isotermisk kalorimeter. Til dette formål kan opsætningen af Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC® 254 bruges på en særlig måde. Til de ovennævnte sikkerhedsundersøgelser er det egentlige kalorimeterkammer i Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC® 254 omgivet af forskellige uafhængige varmelegemer. Til isotermiske undersøgelser af akkumulatorer er disse omgivet af et andet varmelegeme i kalorimeteret, så batteriets temperatur kan styres uafhængigt af kalorimeteret.
18650-celler
Såkaldte 18650-celler er industristandardceller i et cylindrisk metalhus med en diameter på 18 mm og en højde på 65,0 mm (figur 2).
Batteriet placeres i et varmelegeme, der omgiver den cylindriske celle (figur 3), og installeres i kalorimeterets målekammer.
Batteriet er forbundet med den eksterne cyklusenhed (figur 4) via et simpelt stik, så der kan tilføres strøm og spænding til opladning og afladning.
Interessen for at bestemme batteriers termiske balance under opladning og afladning er ikke helt ny, selv om det er et topaktuelt emne. Selvom opsætningen i NETZSCH Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC® 254, der beskrives nedenfor, adskiller sig fra skabelonerne i litteraturen, er den grundlæggende tilgang identisk med den, der blev beskrevet af Hansen et al. i 1982 [4].
3D-VariPhi Varmeapparat
Som allerede nævnt er det cylindriske batteri direkte omgivet af 3D-VariPhi varmelegemet ( 5 i fig. 5). Det skal levere en vis mængde varme for at holde batteriet på en konstant temperatur og kræver derfor en vis mængde strøm. Den nødvendige effekt afhænger af en række faktorer, ikke mindst den omgivende temperatur.
For at skabe et tilstrækkeligt langt kontrolsystem indstilles kalorimeterets andre varmelegemer (2, 6, 9 og 10 i figur 5) til en konstant lavere temperatur. Hvis de energiske processer under opladning og afladning i batteriet skulle ændre cellens temperatur, ville strømforsyningen til 3D-VariPhi varmelegemet (5) være i stand til at reagere med det samme og dermed sikre en konstant temperatur i batteriet. Ud fra det registrerede output fra 3D-VariPhi heateren (5) er det til gengæld muligt direkte at bestemme den varme, der absorberes eller afgives af batteriet i løbet af cyklusserne.
Da den effekt, som 3D-VariPhi varmelegemet kræver for at opretholde batteriets temperatur, er vigtig, er forholdet mellem varmeeffekt og batteritemperatur registreret i figur 6.
Cykling af en 18650-celle
Den 18650-celle, der skulle undersøges, blev holdt på en konstant temperatur på 35 °C af 3D-VariPhi varmelegemet. Efter en defineret opladningsproces (cut-off 2,5 V) blev dette litiumionbatteri opladet (4,2 V, l-limit 100 mA) ved hjælp af den såkaldte CC/CV-opladningsproces (konstant strøm/konstant spænding). Efter en pause på 120 minutter fulgte afladning. Disse to processer blev derefter gentaget én gang. De anvendte opladnings- og afladningsstrømme er opsummeret i tabel 1.
Tabel 1: Opladnings- og afladningsstrømme
| Opladning | Afladning | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Alle brugere ved af egen erfaring, at mobiltelefoner eller bærbare computere bliver varme under intensiv drift og ligeledes under opladning. Med hensyn til opladningscyklussen repræsenterer denne varmeudvikling energitab, fordi den del af varmen, der frigives på denne måde, ikke er tilgængelig for faktisk brug af energilagringsenheden. Derfor kan de varmemængder, der registreres af Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC® 254 under opladning og afladning, registreres som tab med hensyn til opladningseffektivitet. Resultaterne for 18650-cellens reaktionsvarme som funktion af forskellige opladningshastigheder er vist i figur 7 til 9. Hvis den investerede opladnings- eller afladningseffekt sammenlignes med de målte reaktionsvarmer, dvs. tabene, kan effektiviteten af delcyklusserne bestemmes uafhængigt.
Sammenfatning
NETZSCH Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC® 254 blev brugt til at cykle et cylindrisk batteri (18650) ved 35 °C ved forskellige opladningshastigheder (1C, C/2, C/4). De registrerede reaktionsvarmer svarer til de termiske tab, som gør det muligt at bestemme effektiviteten af opladnings- og afladningscyklusserne uafhængigt af hinanden. Hvis der ikke var noget tab, ville effektiviteten være 100 %. Tabene bestemt ud fra reaktionsvarmerne er opsummeret for opladnings- og afladningscyklusserne, men også for de forskellige opladningshastigheder, i figur 10. Det er tydeligt, at ved lave opladningshastigheder (C/4) er tabene lavere, og dermed er effektiviteten højere end ved højere opladningshastigheder (1C).