Introducción
El NETZSCH Calorímetro de Módulo Múltiple (Calorímetro de módulo múltiple (MMC)Dispositivo calorimétrico de modo múltiple que consta de una unidad de base y módulos intercambiables. Un módulo está preparado para la calorimetría de tasa de aceleración (ARC®), el ARC®-Module. Un segundo se utiliza para pruebas de barrido (Módulo de barrido) y un tercero y cuarto están relacionados con pruebas de baterías y polímeros, farmacéuticas para pilas de monedas (Módulo de pilas de monedas).MMC) 274 Nexus® (figura 1) ofrece tres módulos de medición diferentes. El módulo ARC® puede utilizarse para las denominadas pruebas Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search es un modo de medición utilizado en los aparatos calorimétricos según la calorimetría de tasa acelerada (ARC®).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search es un modo de medición utilizado en los aparatos calorimétricos según la calorimetría de tasa acelerada (ARC®).HWS) o pruebas de Fuga térmicaUn embalamiento térmico es la situación en la que un reactor químico está fuera de control con respecto a la producción de temperatura y/o presión causada por la propia reacción química. La simulación de un desbocamiento térmico suele llevarse a cabo utilizando un dispositivo calorimétrico según la calorimetría de tasa acelerada (ARC®).fuga térmica [1][2]; el módulo de exploración es adecuado para aplicaciones como la evaluación de Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase endotérmicas o exotérmicas, así como para la detección de riesgos térmicos [3][4]; y el módulo Coin Cell está especializado en la investigación de baterías [5]. Una unidad externa de ciclado de baterías puede conectarse fácilmente al Coin Cell Module a través de un conector LEMO. Las señales de tensión y corriente pueden transferirse al software de evaluación NETZSCH Proteus® . La señal de potencia resultante se determina automáticamente y puede cuantificarse de forma independiente para la carga y la descarga. Mediante la detección de la pérdida de calor durante la carga y la descarga, es posible evaluar la eficiencia del ciclado de una batería. Para ello, el portamuestras doble ofrece una configuración diferencial similar a la del DSC (figura 2).
Dado que la mayoría de los estudios isotérmicos no destructivos de carga y descarga de baterías se llevan a cabo dentro de un rango de temperatura muy small cercano a la temperatura ambiente, es esencial tener el calorímetro calibrado en consecuencia. Para calibrar la temperatura y la sensibilidad, se suelen utilizar metales como materiales de referencia [6].
Determinación del estado de la batería
Cuando se trata de utilizar un sistema de almacenamiento de energía, su "nivel de llenado" actual siempre es interesante, ya sea para evaluar el tiempo de funcionamiento restante de un teléfono móvil o un ordenador portátil, o en relación con la autonomía de un vehículo eléctrico. Si bien el tiempo de carga de un teléfono móvil o un ordenador portátil desempeña un papel menor, puede ser de especial importancia en el contexto de la electromovilidad.
Modelo Ton
Describir bien el estado actual de un sistema de almacenamiento de energía puede ser más difícil de lo que parece a primera vista. Según [7], el modelo de tonel sirve para ilustrarlo bien, ya que hace un buen trabajo describiendo visualmente los factores influyentes más importantes durante el uso y, en particular, los debidos a los procesos de envejecimiento (fig. 3). El modelo compara el sistema de almacenamiento de energía con un barril de lluvia, donde el nivel del líquido en el barril representa el estado actual de carga. El volumen total en el nuevo estado corresponde a la capacidad máxima del 100%. En el fondo del barril hay una salida para la "descarga" y en la parte superior una entrada para la "carga". Los diámetros limitados de la entrada y la salida ilustran que hay un límite en la velocidad a la que los barriles pueden cargarse o descargarse. Esta limitación corresponde a la resistencia interna del acumulador. Incluso cuando la entrada y la salida están cerradas, el barril pierde líquido con el tiempo porque tiene orificios small y, por tanto, no es perfectamente estanco. Estas pérdidas representan la autodescarga de un acumulador. El envejecimiento del acumulador se describe además por la formación de "piedras". Éstas reducen el volumen útil del barril y, por tanto, la capacidad del sistema de almacenamiento de energía. Además, el barril se oxida con el tiempo, lo que aumenta el número de agujeros small y, por tanto, las pérdidas por "autodescarga".
Con este modelo, que se muestra en la figura 3, se pueden describir los procesos más importantes en el funcionamiento de un acumulador. El estado actual de un sistema de almacenamiento de energía también se denomina "estado de salud".
Pérdidas durante la carga y la descarga
Independientemente del estado de la batería, también se producen pérdidas energéticas durante cada proceso de carga y descarga. Todos sabemos por experiencia propia que los teléfonos móviles o los ordenadores portátiles se calientan durante el funcionamiento intensivo y también durante la carga. Estos desarrollos de calor representan pérdidas energéticas, ya que las cantidades de calor liberadas de esta manera no están disponibles para su uso real a través del sistema de almacenamiento de energía.
Con la ayuda del sensor del módulo Coin Cell del Calorímetro de módulo múltiple (MMC)Dispositivo calorimétrico de modo múltiple que consta de una unidad de base y módulos intercambiables. Un módulo está preparado para la calorimetría de tasa de aceleración (ARC®), el ARC®-Module. Un segundo se utiliza para pruebas de barrido (Módulo de barrido) y un tercero y cuarto están relacionados con pruebas de baterías y polímeros, farmacéuticas para pilas de monedas (Módulo de pilas de monedas).MMC (figura 2), estas pérdidas de calor pueden detectarse y cuantificarse.
Control de los ciclos de carga y descarga
Las baterías de iones de litio son muy sensibles a la sobrecarga, ya que ésta puede provocar fácilmente la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de los electrolitos. Por ello, los métodos de carga habituales suelen limitar la tensión máxima de carga a 4,2 V [7]. También en este trabajo, los ciclos de carga y descarga de una célula de iones de litio (LiR 2032) se limitaron utilizando una tensión de corte de 4,2 V para la carga y de 2,5 V para la descarga. El resultado es el ciclo que se muestra como ejemplo en la figura 4. Tras un ciclo de precarga (no mostrado aquí), la pila tipo moneda se carga a 25°C con una corriente constante de 45 mA hasta una tensión de corte de 4,2 V 1 . En la siguiente fase de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación 2 , la célula de moneda y el sensor vuelven al equilibrio térmico. La fase de dicarga 3 está limitada por la tensión de corte de 2,5 V y va seguida de nuevo por una fase de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación 4 .
Las señales de corriente y tensión se transmiten desde la unidad de ciclos al software de evaluación NETZSCH Proteus® , donde se calcula automáticamente una señal de potencia. Para determinar las pérdidas durante la carga y la descarga, la potencia invertida y el calor liberado pueden así determinarse independientemente para cada ciclo parcial. De este modo, es posible indicar qué proporción de la energía invertida se liberó en forma de calor.
La figura 5 muestra cómo la evaluación por zonas de la señal de flujo térmico del proceso de carga calcula automáticamente la energía invertida (aquí 411,6 J) y la pone en proporción con la señal de flujo térmico medida (aquí 11,12 J). El resultado es un rendimiento del 97,3%. Para la descarga posterior, la eficiencia asciende sólo al 89,9% debido a la generación de calor significativamente mayor.
Diferentes velocidades de carga y descarga
Si los ciclos de carga y descarga se realizan a diferentes velocidades según los criterios de desconexión mencionados, se observa que la energía absorbida por el sistema de almacenamiento de energía y, por tanto, por supuesto, la cantidad de energía disponible durante la descarga, depende en gran medida de la velocidad respectiva (figura 6). Si la célula idéntica (LiR 2032) se carga a 45 mA (C/1), se absorben 415 J, mientras que a una velocidad de carga de C/8 (5,6 mA), se absorben casi 550 J.
La temperatura a la que se realiza el ciclo del acumulador también influye en la cantidad de energía absorbida y en la eficacia de carga y descarga. La figura 7 muestra las energías absorbidas en los ciclos de carga a distintas temperaturas.
Resumen
El módulo Calorímetro de módulo múltiple (MMC)Dispositivo calorimétrico de modo múltiple que consta de una unidad de base y módulos intercambiables. Un módulo está preparado para la calorimetría de tasa de aceleración (ARC), el ARC-Module. Un segundo se utiliza para pruebas de barrido (Módulo de barrido) y un tercero y cuarto están relacionados con pruebas de baterías y polímeros, farmacéuticas para pilas de monedas (Módulo de pilas de monedas).MMC Coin Cell Module 274 Nexus® se utilizó para investigar una pila de botón recargable LiR 2032 a diferentes temperaturas y diferentes velocidades de carga con respecto al calor que se produce. Para los ciclos de carga se utilizó una tensión de corte superior e inferior de 4,2 V y 2,5 V. La potencia suministrada al acumulador por la unidad de ciclado durante la carga puede cuantificarse a partir de las señales de corriente y tensión de la unidad de ciclado. El calor liberado durante este proceso se mide directamente mediante el sensor del módulo Coin Cell. La relación entre la potencia transferida al acumulador y la cantidad de calor liberado permite determinar de forma independiente la eficiencia de los procesos de carga y descarga. Se ha demostrado que tanto la potencia absorbida como la eficiencia respectiva de carga y descarga dependen en gran medida de las velocidades de carga y de la temperatura.