Batteritest ved hjælp af termisk analyse

Der gøres i øjeblikket en stor indsats inden for batteriforskning. Målet er at finde nye materialer, der giver bedre energi- og effekttæthed samt mere effektiv energilagring. Det kræver sofistikerede instrumenter til produktion og karakterisering af materialer som anode- og katodematerialer, separatorer, elektrolytter og grænselag.

Hvis du udvikler eller producerer råmaterialer til batteriindustrien, vil du måske gerne:

• Karakterisere nano/amorfe/ dårligt krystallinske materialer
• Forstå materialeadfærd og materialestabilitet som en funktion af temperaturen
• Opnå kemisk identifikation af udviklede gasser (reaktion, NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning, desorption)
• Forstå Termisk stabilitetEt materiale er termisk stabilt, hvis det ikke nedbrydes under påvirkning af temperaturen. En måde at bestemme et stofs termiske stabilitet på er at bruge en TGA (termogravimetrisk analysator). termisk stabilitet af batteriråmaterialer
• Opnå fasetransformationer, fasediagrammer
• Opnå data om termiske egenskaber til brug i programmer for termisk modellering af celler og pakker

Når der er valgt nye råmaterialer, fører designet af elektroder til spørgsmål om deres fremstilling og brug. På NETZSCH har vi et komplet sæt instrumenter til at karakterisere disse elektroder, separatorer og elektrolytter.

Hvis du udvikler eller producerer batterikomponenter, vil du måske gerne:

• Karakterisere termomekaniske egenskaber som krympning og vægttab under SintringSintring er en produktionsproces, hvor man danner et mekanisk stærkt legeme ud af et keramisk eller metallisk pulver. sintring og termisk udvidelse
• Karakterisere elektrodens Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne
• Måle varmekapaciteten og varmeledningsevnen for elektroder med samme porøsitet
• Forbedre den termiske stabilitet af din katode
• Analyser elektrodens termiske opførsel under højt tryk
• Opdag problemer med inkompatibilitet mellem komponenter
• Udvikle QC-metoder til fremstilling og procesopskalering

Hver applikation har forskellige krav til ydeevne og begrænsninger. Ingen kemi er den rigtige løsning til alle applikationer. Det kan være nødvendigt at ændre på komponenterne, efterhånden som applikationens behov ændrer sig, og nye teknologier bliver tilgængelige. Et veldesignet varmestyringssystem er afgørende for battericellernes levetid og ydeevne. Som elektrokemiske enheder påvirkes batteriernes ydeevne og levetid af temperaturen. Høje temperaturer øger sidereaktioner og NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af grænseflader, hvilket forkorter batteriets levetid og øger omkostningerne til udskiftning af batteriet.

Udviklingen af præcist kalibrerede batterisystemer er afhængig af nøjagtige målinger af den varme, der genereres af battericeller under hele spektret af opladnings- og afladningscyklusser, samt af adfærden under misbrugstest.

Hvis du udvikler eller producerer battericeller, kan det være en god idé at:

• Forstå celledesignets indvirkning på batteriets ydeevne
• Kende den temperatur, hvor litium-ion-celler eller deres komponenter kan udvise en meget EksotermEn prøveovergang eller en reaktion er eksoterm, hvis der udvikles varme.eksoterm reaktion
• Kende mængden af energi, der frigives under en reaktion, reaktionshastigheden og de trykniveauer, der opstår som følge af den dannede nedbrydningsgas
• Vurdere virkningen af en sømgennemtrængning eller knusningstest i batteriet

Når et batteri oplades eller aflades, genereres og absorberes der varme. IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.Isotermisk kalorimetri i forbindelse med battericyklere er en smart måde at karakterisere varmestrømmen på og dermed analysere batteriets livscyklus. Temperatur, opladnings-/afladningshastigheder og afladningsdybde har hver især stor indflydelse på cellernes levetid. Nye batteridesigns (valg af nyt materiale og/eller ny samling af komponenter) kan evalueres ved hjælp af kalorimetriske målinger. Accelerating Rate Calorimeter (ARC^®), der er udstyret med en 3D-sensor, gør det muligt at teste i en IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.isotermisk tilstand i fuld sikkerhed for instrumentet og operatøren.

Hvis du analyserer et batteris ydeevne, vil du måske gerne:

• Indsamle nøjagtige varmeproduktionsdata fra batterimodulet
• Køre en opladnings-/afladningstest i fuld sikkerhed uden at risikere at ødelægge instrumentet
• Forstå, om der er sket en forringelse af den oprindelige ydeevne
• Få en ydeevnesignatur over tid for at evaluere virkningerne af ældning og cykling
• Evaluere fysiske og elektrokemiske designændringer, der kan føre til bedre batterimoduler

Når batterierne er udtjente, indsamles de for enten at blive renoveret eller genbrugt i mindre krævende anvendelser, eller batteriet skilles ad, og hver enkelt komponent genbruges. Batterier er bygget af forskellige polymerer, oxider og metalliske materialer. Termisk analyse er et nyttigt karakteriseringsværktøj inden for dette område.

Hvis du arbejder med genbrug af batterier, kan det være en god idé at:

• Evaluere muligheden for fysisk adskillelse af hovedkomponenterne
• Evaluere effektiviteten af frigørelsen af forskellige komponenter, når batteriet omdannes til fragmenter
• Karakterisere hver enkelt komponent i batteriet, når det er fragmenteret
• Karakterisere de genanvendte materialer i nanoform / amorf / dårligt krystallinsk form
• Forstå materialeadfærd for de genanvendte materialers stabilitet som en funktion af temperaturen

Litium-ion-batteriteknologi giver mange fordele i bærbare strømforsyninger, men et stort problem er sikkerheden. Batteriudviklere har brug for værktøjer, der giver dem mulighed for at designe sikrere batterier uden at gå på kompromis med ydeevnen.

Ved hjælp af et "worst case scenario" (termisk runaway) kan AdiabatiskAdiabatisk beskriver et system eller en målemetode uden nogen form for varmeudveksling med omgivelserne. Denne tilstand kan realiseres ved hjælp af en kalorimeteranordning i henhold til metoden for accelererende hastighedskalorimetri (ARC). Hovedformålet med et sådant apparat er at studere scenarier og termiske runaway-reaktioner. En kort beskrivelse af den adiabatiske tilstand er "ingen varme ind - ingen varme ud".adiabatisk kalorimetri give mange relevante svar, herunder den temperatur, hvor litiumionceller eller deres komponenter kan udvise en meget EksotermEn prøveovergang eller en reaktion er eksoterm, hvis der udvikles varme.eksoterm reaktion og det tilhørende tryk. Med IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.isotermisk kalorimetri kan man direkte få oplysninger om varmestyring ved hjælp af termisk runaway.

Hvis du udvikler eller producerer råmaterialer til batterier, designer battericeller og -pakker, kan det være en god idé at:

• Undersøge batteriets termiske runaway i både normale og voldelige situationer
• Analysere det tryk, der opstår, når battericellen eksploderer i kalorimeteret
• Forstå, ved hvilken temperatur der opstår intern kortslutning på grund af NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af de enkelte komponenter
• Forstå, hvad der sker kemisk og termisk, når interne kortslutninger producerer hot spots i cellen
• Designe celler, der er designet til at mindske sandsynligheden for vækst af hot spots og forbrug af cellen
• Designe, select eller specificere termiske sikkerhedsanordninger (f.eks. udluftning, CID, PTC) baseret på temperatur- og trykdata inde i en celle under termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning og vide, hvor godt disse anordninger fungerer til at afbøde konsekvenserne af fejl
• Klassificere individuelle celler med hensyn til deres potentielle risici og farer
• Kør i fuld sikkerhed en IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.isotermisk opladnings-/afladningstest uden risiko for at ødelægge instrumentet
• Reducere sandsynligheden for en kædereaktion af cellefejl på grund af varmetransport mellem tilstødende celler

Vores anbefalinger i hvidbogen til dig:

• Hvidbog: Batterisikkerhed (termisk runaway) - AdiabatiskAdiabatisk beskriver et system eller en målemetode uden nogen form for varmeudveksling med omgivelserne. Denne tilstand kan realiseres ved hjælp af en kalorimeteranordning i henhold til metoden for accelererende hastighedskalorimetri (ARC). Hovedformålet med et sådant apparat er at studere scenarier og termiske runaway-reaktioner. En kort beskrivelse af den adiabatiske tilstand er "ingen varme ind - ingen varme ud".Adiabatisk kalorimetri til avancerede batteritest (engelsk version)
• Hvidbog: Battery Cycling - Isothermal Calorimetry for advances battery testing (engelsk version)