Δοκιμές μπαταριών μέσω θερμικής ανάλυσης

Σημαντικές προσπάθειες καταβάλλονται σήμερα για την επαναχρησιμοποίηση των μπαταριώνarch. Ο στόχος είναι η εξεύρεση νέων υλικών που επιτρέπουν καλύτερη πυκνότητα ενέργειας και ισχύος καθώς και αποδοτικότερη αποθήκευση ενέργειας. Αυτό απαιτεί εξελιγμένα όργανα για την παραγωγή και τον χαρακτηρισμό υλικών όπως υλικά ανόδου και καθόδου, διαχωριστές, ηλεκτρολύτες, οριακά στρώματα.

Εάν αναπτύσσετε ή παράγετε πρώτες ύλες για τη βιομηχανία μπαταριών, ίσως να θέλετε να:

• Χαρακτηρισμός νανο/αμορφικών/φτωχά κρυσταλλικών υλικών
• Να κατανοήσετε τη συμπεριφορά των υλικών και τη σταθερότητα των υλικών ως συνάρτηση της θερμοκρασίας
• Να λαμβάνετε τη χημική ταυτοποίηση των αναπτυσσόμενων αερίων (αντίδραση, διάσπαση, εκρόφηση)
• Κατανόηση της θερμικής σταθερότητας των πρώτων υλών των μπαταριών
• Απόκτηση μετασχηματισμών φάσεων, διαγραμμάτων φάσεων
• Απόκτηση δεδομένων θερμικών ιδιοτήτων για την ενσωμάτωση σε προγράμματα θερμικής μοντελοποίησης κυψελών και συστοιχιών

Μόλις βρεθούν νέες πρώτες ύλες select, ο σχεδιασμός των ηλεκτροδίων οδηγεί σε ερωτήματα σχετικά με την κατασκευή και τη χρήση τους. Εμείς στο NETZSCH διαθέτουμε ένα πλήρες σύνολο οργάνων για τον χαρακτηρισμό αυτών των ηλεκτροδίων, διαχωριστών, ηλεκτρολυτών.

Εάν αναπτύσσετε ή παράγετε εξαρτήματα μπαταριών, ίσως να θέλετε να:

• Να χαρακτηρίσετε θερμομηχανικές ιδιότητες, όπως συρρίκνωση και απώλεια βάρους κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης και της θερμικής διαστολής
• Να χαρακτηρίσετε τη θερμική αγωγιμότητα του ηλεκτροδίου
• Να μετρήσετε τη θερμοχωρητικότητα και τη θερμική αγωγιμότητα ηλεκτροδίων με το ίδιο πορώδες
• Βελτίωση της θερμικής σταθερότητας της καθόδου σας
• Αναλύστε τη θερμική συμπεριφορά του ηλεκτροδίου υπό υψηλή πίεση
• Ανίχνευση ζητημάτων ασυμβατότητας μεταξύ εξαρτημάτων
• Ανάπτυξη μεθόδων QC για την κατασκευή και την κλιμάκωση της διαδικασίας

Κάθε εφαρμογή έχει διαφορετικές απαιτήσεις και περιορισμούς απόδοσης. Καμία χημεία δεν είναι η σωστή λύση για όλες τις εφαρμογές. Ενδέχεται να απαιτηθούν αλλαγές στα συστατικά καθώς αλλάζουν οι ανάγκες της εφαρμογής και καθώς διατίθενται νέες τεχνολογίες. Ένα καλά σχεδιασμένο σύστημα θερμικής διαχείρισης είναι ζωτικής σημασίας για τη διάρκεια ζωής και την απόδοση των κυψελών μπαταρίας. Ως ηλεκτροχημικές συσκευές, η απόδοση και η διάρκεια ζωής των μπαταριών επηρεάζονται από τη θερμοκρασία. Οι υψηλές θερμοκρασίες αυξάνουν τις πλευρικές αντιδράσεις και την αποσύνθεση των διεπιφανειακών ορίων, μειώνοντας τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και αυξάνοντας το κόστος αντικατάστασης της μπαταρίας.

Η ανάπτυξη συστημάτων μπαταριών με ακρίβειαlibraβασίζεται σε ακριβείς μετρήσεις της θερμότητας που παράγεται από τα κύτταρα μπαταριών κατά τη διάρκεια ολόκληρου του φάσματος των κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης, καθώς και της συμπεριφοράς κατά τη διάρκεια δοκιμών κατάχρησης.

Εάν αναπτύσσετε ή παράγετε κύτταρα μπαταριών, ίσως να θέλετε να:

• Να κατανοήσετε τον αντίκτυπο του σχεδιασμού του κυττάρου στην απόδοση της μπαταρίας
• Να γνωρίζετε τη θερμοκρασία στην οποία οι κυψέλες ιόντων λιθίου ή τα εξαρτήματά τους μπορούν να παρουσιάσουν μια ιδιαίτερα εξώθερμη αντίδραση
• Να γνωρίζετε την ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης, την ταχύτητα της αντίδρασης και τα επίπεδα πίεσης που προκύπτουν ως αποτέλεσμα του αερίου αποσύνθεσης που σχηματίζεται
• Να αξιολογείτε τις επιπτώσεις της δοκιμής διείσδυσης ή σύνθλιψης ενός καρφιού στη μπαταρία

Όταν μια μπαταρία φορτίζεται ή εκφορτίζεται, παράγεται και απορροφάται θερμότητα. Η ισόθερμη θερμιδομετρία σε συνδυασμό με τους κυκλικούς μετρητές μπαταριών είναι ένας έξυπνος τρόπος για να χαρακτηριστεί η ροή θερμότητας και, επομένως, για να αναλυθεί ο κύκλος ζωής της μπαταρίας. Η θερμοκρασία, οι ρυθμοί φόρτισης/εκφόρτισης και το βάθος εκφόρτισης επηρεάζουν σημαντικά τη διάρκεια ζωής των κυψελών. Οι νέοι σχεδιασμοί μπαταριών (επιλογή νέου υλικού και/ή νέα συναρμολόγηση εξαρτημάτων) μπορούν να αξιολογηθούν χάρη στη μέτρηση με θερμιδομετρία. Το θερμιδόμετρο επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC^®) εξοπλισμένο με αισθητήρα 3D επιτρέπει τη δοκιμή σε ισοθερμική λειτουργία με πλήρη ασφάλεια για το όργανο και τον χειριστή.

Εάν αναλύετε την απόδοση μιας μπαταρίας, ίσως θελήσετε να:

• Να συλλέγετε ακριβή δεδομένα παραγωγής θερμότητας από τη μονάδα μπαταρίας
• Να εκτελέσετε με απόλυτη ασφάλεια μια δοκιμή φόρτισης/εκφόρτισης χωρίς να διακινδυνεύσετε την καταστροφή του οργάνου
• Να καταλάβετε αν υπήρξε οποιαδήποτε επιδείνωση της αρχικής απόδοσης
• Να λάβετε μια υπογραφή επιδόσεων με την πάροδο του χρόνου για να αξιολογήσετε τις επιπτώσεις της γήρανσης και της ανακύκλωσης
• Αξιολόγηση φυσικών και ηλεκτροχημικών αλλαγών σχεδιασμού που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε καλύτερες μονάδες μπαταρίας

Όταν οι μπαταρίες έχουν φτάσει στο τέλος της ζωής τους, συλλέγονται για να ανακατασκευαστούν ή να επαναχρησιμοποιηθούν σε λιγότερο απαιτητικές εφαρμογές, ή η μπαταρία αποσυναρμολογείται και κάθε μεμονωμένο στοιχείο ανακυκλώνεται. Οι μπαταρίες κατασκευάζονται με συγκροτήματα από διαφορετικά πολυμερή, οξείδια, μεταλλικά υλικά. Η θερμική ανάλυση είναι χρήσιμα εργαλεία χαρακτηρισμού σε αυτόν τον τομέα.

Εάν ασχολείστε με την ανακύκλωση μπαταριών, ίσως να θέλετε να:

• Να αξιολογήσετε τη δυνατότητα φυσικού διαχωρισμού των κύριων συστατικών της
• Να αξιολογήσετε την αποτελεσματικότητα της απελευθέρωσης των διαφόρων συστατικών όταν η μπαταρία μετατρέπεται σε θραύσματα
• Να χαρακτηρίσετε κάθε συστατικό της μπαταρίας, όταν κατακερματίζεται
• Χαρακτηρίστε τα νανο / άμορφα / ελάχιστα κρυσταλλικά ανακυκλωμένα υλικά
• Κατανόηση της συμπεριφοράς των υλικών ως προς τη σταθερότητα των ανακυκλωμένων υλικών σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία

Η τεχνολογία μπαταριών ιόντων λιθίου προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα στις εφαρμογές φορητής ενέργειας, αλλά ένα σημαντικό ζήτημα είναι η ασφάλεια. Οι προγραμματιστές μπαταριών χρειάζονται εργαλεία που να τους επιτρέπουν να σχεδιάζουν ασφαλέστερες μπαταρίες χωρίς συμβιβασμούς στην απόδοση.

Μέσω ενός σχήματος "χειρότερου σεναρίου" (θερμική διαφυγή), η αδιαβατική θερμιδομετρία μπορεί να δώσει πολλές σχετικές απαντήσεις, συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας στην οποία οι κυψέλες ιόντων λιθίου ή τα συστατικά τους μπορούν να παρουσιάσουν μια εξαιρετικά εξώθερμη αντίδραση και τη σχετική πίεση. Με την ισοθερμική θερμιδομετρία, μπορούν να ληφθούν άμεσα πληροφορίες για τη θερμική διαχείριση, οι οποίες λαμβάνονται μέσω της θερμικής διαφυγής.

Εάν αναπτύσσετε ή παράγετε πρώτες ύλες για μπαταρίες, σχεδιάζετε κυψέλες και συστοιχίες μπαταριών, μπορεί να θέλετε να:

• Να διερευνήσετε τη θερμική διαφυγή της μπαταρίας τόσο σε κανονικές όσο και σε καταχρηστικές καταστάσεις
• Να αναλύσετε την πίεση που δημιουργείται όταν το κύτταρο της μπαταρίας εκρήγνυται στο θερμιδόμετρο
• Να κατανοήσετε σε ποια θερμοκρασία εμφανίζεται εσωτερικό βραχυκύκλωμα λόγω της αποσύνθεσης των επιμέρους συστατικών
• Κατανοήστε τι συμβαίνει χημικά και θερμικά όταν τα εσωτερικά βραχυκυκλώματα παράγουν θερμό spots μέσα στο κύτταρο
• Να σχεδιάζουν κυψέλες οι οποίες είναι σχεδιασμένες έτσι ώστε να μειώνουν την πιθανότητα ανάπτυξης θερμού σημείου και κατανάλωσης της κυψέλης
• Να σχεδιάζετε, select, ή να προσδιορίζετε συσκευές θερμικής ασφάλειας (π.χ. εξαερισμός, CID, PTC) με βάση δεδομένα θερμοκρασίας και πίεσης στο εσωτερικό μιας κυψέλης κατά τη διάρκεια θερμικής αποσύνθεσης και να γνωρίζετε πόσο καλά λειτουργούν αυτές οι συσκευές για τον μετριασμό των συνεπειών των αστοχιών
• Να ταξινομούν μεμονωμένες κυψέλες σε σχέση με τους πιθανούς κινδύνους και τους κινδύνους τους
• Να εκτελείτε με απόλυτη ασφάλεια μια ισόθερμη δοκιμή φόρτισης/εκφόρτισης χωρίς κίνδυνο καταστροφής του οργάνου
• Μείωση της πιθανότητας αλυσιδωτής αντίδρασης αστοχιών κυψελών λόγω μεταφοράς θερμότητας μεταξύ γειτονικών κυψελών

Οι συστάσεις της Λευκής Βίβλου μας για εσάς:

• Λευκή Βίβλος: Ασφάλεια μπαταριών (θερμική διαφυγή) - Αδιαβατική θερμιδομέτρηση για δοκιμές μπαταριών που προχωρούν (αγγλική έκδοση)
• Λευκή Βίβλος: Κύκλωση μπαταριών - Ισοθερμική θερμιδομετρία για εξελιγμένες δοκιμές μπαταριών (αγγλική έκδοση)