Introduktion
NETZSCH Multiple Module Calorimeter (Kalorimeter med flere moduler (MMC)En kalorimeteranordning med flere tilstande, der består af en basisenhed og udskiftelige moduler. Et modul er forberedt til accelerationskalorimetri (ARC®), ARC®-modulet. Et andet bruges til scanningstest (Scanning Module), og et tredje og fjerde er relateret til batteri og polymer, farmaceutisk testning af møntceller (Coin Cell Module).MMC) 274 Nexus® (figur 1) tilbyder tre forskellige målemoduler. Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC® -modulet kan bruges til såkaldte Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search er en målemetode, der anvendes i kalorimeterudstyr i henhold til accelerationskalorimetri (ARC®).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search er en målemetode, der anvendes i kalorimeterudstyr i henhold til accelerationskalorimetri (ARC®).HWS)-tests eller termiske runaway-tests [1][2]; scanningsmodulet er velegnet til f.eks. evaluering af endoterme eller eksoterme FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange samt screening af termisk fare [3][4]; og møntcellemodulet er specialiseret til undersøgelse af batterier [5]. En ekstern battericyklenhed kan nemt tilsluttes Coin Cell Module via et LEMO-stik. Signaler for spænding og strøm kan overføres til evalueringssoftwaren NETZSCH Proteus® . Det resulterende strømsignal bestemmes automatisk og kan kvantificeres uafhængigt af opladning og afladning. Ved at registrere varmetabet under opladning og afladning er det muligt at evaluere effektiviteten af et batteris cyklus. Til dette formål tilbyder den dobbelte prøveholder en DSC-lignende differentiel opsætning (figur 2).
Da de fleste ikke-destruktive isotermiske opladnings- og afladningsundersøgelser af batterier udføres inden for et meget small temperaturområde nær omgivelsestemperaturen, er det vigtigt at få kalorimeteret kalibreret i overensstemmelse hermed. Til temperatur- og følsomhedskalibrering bruges normalt metaller som referencematerialer [6].
Bestemmelse af batteriets status
Når det drejer sig om at bruge et energilagringssystem, er dets 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. Hvis opladningstiden for en mobiltelefon eller en bærbar computer spiller en ret lille rolle, kan den være af særlig betydning i forbindelse med elektromobilitet.
Ton-model
Det kan være sværere at beskrive den aktuelle tilstand i et energilagringssystem, end det først ser ud til. Ifølge [7] er tøndemodellen en god illustration, da den gør et godt stykke arbejde med visuelt at beskrive de vigtigste indflydelsesrige faktorer under brug og især dem, der skyldes aldringsprocesser (fig. 3). Modellen sammenligner energilagringssystemet med en regntønde, hvor væskeniveauet i tønden repræsenterer den aktuelle opladningstilstand. Det samlede volumen i den nye tilstand svarer til den maksimale kapacitet på 100 %. I bunden af tønden er der et udløb til "afladning" og i toppen et indløb til "opladning". De begrænsede diametre på ind- og udløb illustrerer, at der er en grænse for den hastighed, hvormed tønderne kan oplades eller aflades. Denne begrænsning svarer til den indre modstand i akkumulatoren. Selv når ind- og udløb er lukket, mister tønden væske over tid, fordi den har small huller og derfor ikke er helt tæt. Disse tab repræsenterer en akkumulators selvafladning. Aldring af akkumulatoren beskrives yderligere ved dannelsen af "sten". De reducerer tøndens brugbare volumen og dermed energilagringssystemets kapacitet. Tønden ruster også med tiden, hvilket øger antallet af small huller og dermed tabene på grund af "selvafladning".
Med denne model, som er vist i figur 3, kan de vigtigste processer i driften af en akkumulator beskrives. Den aktuelle tilstand for et energilagringssystem kaldes også "state-of-health".
Tab under opladning og afladning
Uanset batteriets status opstår der også energitab under hver opladnings- og afladningsproces. Vi ved alle fra vores egen erfaring, at mobiltelefoner eller bærbare computere bliver varme under intensiv drift og også under opladning. Denne varmeudvikling repræsenterer et energitab, fordi de varmemængder, der frigives på denne måde, ikke er tilgængelige for faktisk brug gennem energilagringssystemet.
Ved hjælp af sensoren i møntcellemodulet i Kalorimeter med flere moduler (MMC)En kalorimeteranordning med flere tilstande, der består af en basisenhed og udskiftelige moduler. Et modul er forberedt til accelerationskalorimetri (ARC®), ARC®-modulet. Et andet bruges til scanningstest (Scanning Module), og et tredje og fjerde er relateret til batteri og polymer, farmaceutisk testning af møntceller (Coin Cell Module).MMC (figur 2) kan disse varmetab registreres og kvantificeres.
Kontrol af opladnings- og afladningscyklusser
Litium-ion-batterier er meget følsomme over for overopladning, da det let kan føre til NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af elektrolytterne. Derfor begrænser almindelige opladningsmetoder normalt den maksimale opladningsspænding til 4,2 V [7]. Også i dette arbejde blev opladnings- og afladningscyklusserne for en lithium-ion-celle (LiR 2032) begrænset ved hjælp af en grænsespænding på 4,2 V til opladning og 2,5 V til afladning. Dette resulterer i den cyklus, der er vist som et eksempel i figur 4. Efter en forladningscyklus (ikke vist her) oplades møntcellen ved 25 °C med en konstant strøm på 45 mA op til en grænsespænding på 4,2 V 1 . I den efterfølgende afslapningsfase 2 vender møntcellen og sensoren tilbage til termisk ligevægt. Dicharging-fasen 3 er begrænset af cutoff-spændingen på 2,5 V og efterfølges igen af en afslapningsfase 4.
Strøm- og spændingssignalerne overføres fra cyklusenheden til evalueringssoftwaren NETZSCH Proteus® , hvor der automatisk beregnes et effektsignal. Til bestemmelse af tabene under opladning og afladning kan den investerede effekt og den frigjorte varme således bestemmes uafhængigt for hver delcyklus. På denne måde er det muligt at angive, hvor stor en del af den investerede energi, der blev frigivet som varme.
Figur 5 viser, hvordan områdeevalueringen af varmefluxsignalet fra opladningsprocessen automatisk beregner den investerede energi (her 411,6 J) og sætter den i forhold til det målte varmefluxsignal (her 11,12 J). Dette resulterer i en effektivitet på 97,3 %. Ved den efterfølgende afladning er effektiviteten kun 89,9 % på grund af den betydeligt højere varmeudvikling.
Forskellige opladnings- og afladningshastigheder
Hvis opladnings- og afladningscyklusser udføres ved forskellige hastigheder i henhold til de førnævnte afbrydelseskriterier, kan det ses, at den energi, der absorberes af energilagringssystemet, og dermed naturligvis den mængde energi, der er til rådighed under afladning, afhænger meget stærkt af den respektive hastighed (figur 6). Hvis den identiske celle (LiR 2032) oplades ved 45 mA (C/1), absorberes der 415 J, mens der ved en opladningshastighed på C/8 (5,6 mA) absorberes næsten 550 J.
Temperaturen, hvormed akkumulatoren cykles, har også indflydelse på mængden af absorberet energi og opladnings- og afladningseffektiviteten. Figur 7 viser den absorberede energi i opladningscyklusserne ved forskellige temperaturer.
Sammenfatning
Kalorimeter med flere moduler (MMC)En kalorimeteranordning med flere tilstande, der består af en basisenhed og udskiftelige moduler. Et modul er forberedt til accelerationskalorimetri (ARC), ARC-modulet. Et andet bruges til scanningstest (Scanning Module), og et tredje og fjerde er relateret til batteri og polymer, farmaceutisk testning af møntceller (Coin Cell Module).MMC Coin Cell Module 274 Nexus® blev brugt til at undersøge en genopladelig LiR 2032-Knapcelle-modulEt kalorimetermodul, der er en del af Multiple Module Calorimeter (MMC), og som giver mulighed for scanning og isotermiske tests af komplette mønter af varierende størrelse. Det DSC-lignende tvillingedesign giver et differentieret signal om varmesignaturen under en opvarmningsrampe eller opladning og afladning af batterier. møntcelle ved forskellige temperaturer og forskellige opladningshastigheder med hensyn til den varme, der opstår. Til opladningscyklusserne blev der brugt en øvre og nedre cutoff-spænding på 4,2 V og 2,5 V. Den effekt, der leveres til akkumulatoren af cyklusenheden under opladning, kan kvantificeres ud fra strøm- og spændingssignalerne fra cyklusenheden. Den varme, der frigives under denne proces, måles direkte af sensoren i møntcellemodulet. Forholdet mellem den effekt, der overføres til akkumulatoren, og den mængde varme, der frigives, gør det muligt at bestemme effektiviteten for opladnings- og afladningsprocesserne uafhængigt af hinanden. Det har vist sig, at både den absorberede effekt og de respektive opladnings- og afladningseffektiviteter er stærkt afhængige af opladningshastighederne og temperaturen.