Johdanto
NETZSCH Multiple Module Calorimeter (Usean moduulin kalorimetri (MMC)Monitilakalorimetrilaite, joka koostuu perusyksiköstä ja vaihdettavista moduuleista. Yksi moduuli on valmisteltu kiihdytyskalorimetriaa varten (ARC®), ARC®-moduuli. Toista käytetään skannaustesteihin (Scanning Module) ja kolmas ja neljäs liittyy akkujen ja polymeerien sekä kolikkokennojen farmaseuttisiin testeihin (Coin Cell Module).MMC) 274 Nexus® (kuva 1) tarjoaa kolme erilaista mittausmoduulia. Kiihtyvyyskalorimetria (ARC)Menetelmä, jossa kuvataan isotermiset ja adiabaattiset testimenetelmät, joita käytetään termisesti eksotermisten hajoamisreaktioiden havaitsemiseen.ARC® -moduulia voidaan käyttää niin sanottuihin Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search on mittaustapa, jota käytetään kalorimetrilaitteissa kiihdytyskalorimetrian (ARC®) mukaisesti.heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search on mittaustapa, jota käytetään kalorimetrilaitteissa kiihdytyskalorimetrian (ARC®) mukaisesti.HWS) -testeihin tai lämpökarkotustesteihin [1][2]; Scanning-moduuli soveltuu esimerkiksi endotermisten tai eksotermisten faasisiirtymien arviointiin sekä lämpövaarojen seulontaan [3][4]; ja Coin Cell -moduuli on erikoistunut akkujen tutkimiseen [5]. Ulkoinen paristokierrätysyksikkö voidaan helposti liittää kolikkokennomoduuliin LEMO-liittimen avulla. Jännitteen ja virran signaalit voidaan siirtää NETZSCH Proteus® -arviointiohjelmistoon. Tuloksena saatu tehosignaali määritetään automaattisesti, ja se voidaan kvantifioida itsenäisesti latauksen ja purkauksen osalta. Latauksen ja purkauksen aikana tapahtuvan lämpöhäviön havaitsemisella voidaan arvioida akun kierrätyksen tehokkuutta. Tätä varten kaksoisnäytteenottolaite tarjoaa DSC:n kaltaisen differentiaaliasetelman (kuva 2).
Koska suurin osa akkujen rikkomattomista isotermisistä lataus- ja purkaustutkimuksista tehdään hyvin small lämpötila-alueella, joka on lähellä ympäristön lämpötilaa, on tärkeää, että kalorimetri on kalibroitu vastaavasti. Lämpötilan ja herkkyyden kalibrointiin käytetään yleensä vertailumateriaaleina metalleja [6].
Akun tilan määrittäminen
Energiavarastojärjestelmää käytettäessä sen nykyinen "täyttöaste" on aina kiinnostava - olipa kyse sitten matkapuhelimen tai kannettavan tietokoneen jäljellä olevan käyttöajan arvioinnista tai sähköauton toimintasäteen mittaamisesta. Vaikka matkapuhelimen tai kannettavan tietokoneen latausajalla on melko vähäinen merkitys, sillä voi olla erityistä merkitystä sähköisen liikkuvuuden yhteydessä.
Ton-malli
Energiavarastojärjestelmän nykytilan kuvaaminen hyvin voi olla vaikeampaa kuin miltä se ensin näyttää. [7] mukaan tynnyrimalli toimii hyvin havainnollistamiseen, sillä se kuvaa hyvin visuaalisesti tärkeimmät käytön aikaiset ja erityisesti ikääntymisprosesseista johtuvat vaikutustekijät (kuva 3). Mallissa energiavarastojärjestelmää verrataan sadetynnyriin, jossa tynnyrissä olevan nesteen taso edustaa senhetkistä varaustilaa. Kokonaisvolyymi uudessa tilassa vastaa 100 prosentin maksimikapasiteettia. Tynnyrin alaosassa on ulostuloaukko "purkamista" varten ja yläosassa sisäänmenoaukko "lataamista" varten. Sisääntulon ja ulostulon rajoitetut halkaisijat osoittavat, että tynnyreiden lataus- tai purkamisnopeus on rajoitettu. Tämä rajoitus vastaa akun sisäistä vastusta. Vaikka sisään- ja ulostuloaukko olisi suljettu, tynnyri menettää ajan mittaan nestettä, koska siinä on small reikiä eikä se näin ollen ole täysin tiivis. Nämä häviöt ovat akun itsepurkautumista. Akun vanhenemista kuvaa myös "kivien" muodostuminen. Ne pienentävät tynnyrin käyttökelpoista tilavuutta ja siten energiavarastojärjestelmän kapasiteettia. Lisäksi tynnyri ruostuu ajan myötä, mikä lisää small reikien määrää ja siten "itsepurkautumisesta" johtuvia häviöitä.
Kuvassa 3 esitetyn mallin avulla voidaan kuvata akun toiminnan tärkeimmät prosessit. Energiavarastojärjestelmän nykytilasta käytetään myös nimitystä "tila".
Häviöt latauksen ja purkamisen aikana
Akun tilasta riippumatta myös energiahäviöitä syntyy jokaisen lataus- ja purkausprosessin aikana. Me kaikki tiedämme omasta kokemuksestamme, että matkapuhelimet tai kannettavat tietokoneet kuumenevat intensiivisen käytön aikana ja myös latauksen aikana. Nämä lämpökehitykset ovat energiahäviöitä, koska näin vapautuvat lämpömäärät eivät ole käytettävissä todelliseen käyttöön energiavarastojärjestelmän kautta.
Usean moduulin kalorimetri (MMC)Monitilakalorimetrilaite, joka koostuu perusyksiköstä ja vaihdettavista moduuleista. Yksi moduuli on valmisteltu kiihdytyskalorimetriaa varten (ARC®), ARC®-moduuli. Toista käytetään skannaustesteihin (Scanning Module) ja kolmas ja neljäs liittyy akkujen ja polymeerien sekä kolikkokennojen farmaseuttisiin testeihin (Coin Cell Module).MMC:n kolikkokennomoduulissa olevan anturin avulla (kuva 2) nämä lämpöhäviöt voidaan havaita ja määrittää määrällisesti.
Lataus- ja purkaussyklien valvonta
Litiumioniakut ovat erittäin herkkiä ylilataukselle, sillä se voi helposti johtaa elektrolyyttien hajoamiseen. Tämän vuoksi yleisissä latausmenetelmissä rajoitetaan yleensä suurin latausjännite 4,2 V:iin [7]. Myös tässä työssä litiumioniakun (LiR 2032) lataus- ja purkaussyklit rajoitettiin käyttämällä 4,2 V:n raja-arvoa latauksessa ja 2,5 V:n raja-arvoa purkauksessa. Tämä johtaa kuvassa 4 esimerkkinä esitettyyn sykliin. Esilataussyklin jälkeen (jota ei ole esitetty tässä) kolikkokennoa ladataan 25 °C:ssa 45 mA:n vakiovirralla 4,2 V:n rajajännitteeseen 1 asti. Sitä seuraavassa relaksaatiovaiheessa 2 KolikkokennomoduuliKalorimetrimoduuli, joka on osa monimoduulikalorimetriä (MMC), joka mahdollistaa vaihtelevan kokoisten kokonaisten kolikoiden skannauksen ja isotermiset testit. DSC:n kaltainen kaksoismalli antaa differentiaalisen signaalin lämpösignaalista lämmitysrampin tai akkujen latauksen ja purkauksen aikana.kolikkokenno ja anturi palaavat termiseen tasapainoon. Latausvaihetta 3 rajoittaa 2,5 V:n katkaisujännite, ja sitä seuraa jälleen relaksaatiovaihe 4.
Virta- ja jännitesignaalit siirretään sykliyksiköstä NETZSCH Proteus® -arviointiohjelmistoon, jossa tehosignaali lasketaan automaattisesti. Latauksen ja purkauksen aikaisten häviöiden määrittämiseksi voidaan näin ollen määrittää investoitu teho ja vapautunut lämpö itsenäisesti kullekin osajaksolle. Näin voidaan osoittaa, mikä osuus investoidusta energiasta vapautui lämpönä.
Kuvassa 5 esitetään, miten latausprosessin lämpövirtasignaalin pinta-ala-arviointi laskee automaattisesti investoidun energian (tässä 411,6 J) ja suhteuttaa sen mitattuun lämpövirtasignaaliin (tässä 11,12 J). Näin saadaan 97,3 prosentin hyötysuhde. Tämän jälkeen tapahtuvassa purkauksessa hyötysuhde on vain 89,9 %, koska lämmöntuotanto on huomattavasti suurempi.
Erilaiset lataus- ja purkautumisnopeudet
Jos lataus- ja purkaussyklit suoritetaan eri nopeuksilla edellä mainittujen sulkemisperusteiden mukaisesti, voidaan havaita, että energiavarastojärjestelmän absorboima energia ja siten luonnollisesti myös purkauksen aikana käytettävissä oleva energiamäärä riippuu hyvin voimakkaasti kyseisestä nopeudesta (kuva 6). Jos identtistä kennoa (LiR 2032) ladataan 45 mA:n (C/1) nopeudella, energiaa absorboituu 415 J, kun taas C/8:n (5,6 mA) latausnopeudella energiaa absorboituu lähes 550 J:n verran.
Lämpötila, jossa akkua kierrätetään, vaikuttaa myös absorboituneen energian määrään sekä latauksen ja purkauksen tehokkuuteen. Kuvassa 7 esitetään lataussyklien absorboituneet energiat eri lämpötiloissa.
Yhteenveto
Usean moduulin kalorimetri (MMC)Monitilakalorimetrilaite, joka koostuu perusyksiköstä ja vaihdettavista moduuleista. Yksi moduuli on valmisteltu kiihdytyskalorimetriaa varten (ARC), ARC-moduuli. Toista käytetään skannaustesteihin (Scanning Module) ja kolmas ja neljäs liittyy akkujen ja polymeerien sekä kolikkokennojen farmaseuttisiin testeihin (Coin Cell Module).MMC Coin Cell Module 274 Nexus® -laitteella tutkittiin ladattavaa LiR 2032 -kolikkokennoa eri lämpötiloissa ja eri latausnopeuksilla sen aiheuttaman lämmön osalta. Lataussykleissä käytettiin 4,2 V:n ja 2,5 V:n ylempää ja alempaa rajajännitettä. Pyöritysyksikön akkuun latauksen aikana syöttämä teho voidaan määrittää määrällisesti pyöritysyksikön virta- ja jännitesignaalien perusteella. Prosessin aikana vapautuva lämpö mitataan suoraan kolikkokennomoduulin anturilla. Akkuun siirretyn tehon ja vapautuvan lämmön määrän suhde mahdollistaa lataus- ja purkausprosessien tehokkuuden määrittämisen toisistaan riippumatta. On osoitettu, että sekä absorboitu teho että latauksen ja purkauksen hyötysuhde riippuvat voimakkaasti latausnopeudesta ja lämpötilasta.