Introduction
Le Calorimètre à modules multiples (MMC)Un calorimètre à modes multiples composé d'une unité de base et de modules interchangeables. Un module est préparé pour la calorimétrie à vitesse accélérée (ARC), le module ARC. Un deuxième module est utilisé pour les essais de balayage (module de balayage). Un deuxième module est utilisé pour les tests de balayage (module de balayage) et un troisième et un quatrième modules sont utilisés pour les tests de batteries et de polymères, ainsi que pour les tests pharmaceutiques pour les cellules à pièces de monnaie (module de cellules à pièces de monnaie).calorimètre à modules multiples (MMC) NETZSCH 274 Nexus® (figure 1) offre trois modules de mesure différents. Le module ARC® peut être utilisé pour les essais dits Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search est un mode de mesure utilisé dans les appareils calorimétriques selon la calorimétrie à taux accéléré (ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search est un mode de mesure utilisé dans les appareils calorimétriques selon la calorimétrie à taux accéléré (ARC).HWS) ou les essais d'Emballement thermiqueUn emballement thermique est la situation dans laquelle un réacteur chimique est hors de contrôle en ce qui concerne la production de température et/ou de pression causée par la réaction chimique elle-même. La simulation d'un emballement thermique est généralement réalisée à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC).emballement thermique [1][2] ; le module de balayage convient à des applications telles que l'évaluation des Transitions de phaseLe terme de transition de phase (ou changement de phase) est le plus souvent utilisé pour décrire les transitions entre les états solide, liquide et gazeux.transitions de phase endothermiques ou exothermiques ainsi que le dépistage des risques thermiques [3][4] ; et le module Module de pièces de monnaieModule calorimétrique faisant partie du calorimètre à modules multiples (MMC) permettant de réaliser des essais de balayage et des essais isothermes sur des pièces complètes de taille variable. La conception jumelée de type DSC donne un signal différentiel de la signature thermique au cours d'une rampe de chauffage ou de la charge et de la décharge des batteries.Coin Cell est spécialisé dans l'étude des batteries [5]. Une unité externe de cyclage de batterie peut facilement être connectée au module Module de pièces de monnaieModule calorimétrique faisant partie du calorimètre à modules multiples (MMC) permettant de réaliser des essais de balayage et des essais isothermes sur des pièces complètes de taille variable. La conception jumelée de type DSC donne un signal différentiel de la signature thermique au cours d'une rampe de chauffage ou de la charge et de la décharge des batteries.Coin Cell via un connecteur LEMO. Les signaux de tension et de courant peuvent être transférés au logiciel d'évaluation NETZSCH Proteus® . Le signal de puissance résultant est automatiquement déterminé et peut être quantifié indépendamment pour la charge et la décharge. En détectant la perte de chaleur pendant la charge et la décharge, il est possible d'évaluer l'efficacité du cyclage d'une batterie. À cette fin, le porte-échantillon double offre une configuration différentielle de type DSC (figure 2).
Étant donné que la plupart des études isothermes non destructives sur la charge et la décharge des batteries sont effectuées dans une plage de température très small proche de la température ambiante, il est essentiel de calibrer le calorimètre en conséquence. Pour l'étalonnage de la température et de la sensibilité, les métaux sont généralement utilisés comme matériaux de référence [6].
Détermination de l'état de la batterie
Lorsqu'il s'agit d'utiliser un système de stockage d'énergie, son "niveau de remplissage" actuel est toujours intéressant, que ce soit pour évaluer l'autonomie restante d'un téléphone ou d'un ordinateur portable, ou l'autonomie d'un véhicule électrique. Si le temps de charge d'un téléphone ou d'un ordinateur portable joue un rôle plutôt mineur, il peut revêtir une importance particulière dans le contexte de l'électromobilité.
Modèle Ton
Décrire correctement l'état actuel d'un système de stockage d'énergie peut s'avérer plus difficile qu'il n'y paraît à première vue. Selon [7], le modèle du tonneau illustre bien cette situation, car il permet de décrire visuellement les facteurs d'influence les plus importants pendant l'utilisation et, en particulier, ceux qui sont dus aux processus de vieillissement (fig. 3). Le modèle compare le système de stockage d'énergie à un tonneau de pluie, où le niveau du liquide dans le tonneau représente l'état de charge actuel. Le volume total dans le nouvel état correspond à la capacité maximale de 100 %. Au fond du tonneau se trouve une sortie pour la "décharge" et au sommet une entrée pour la "charge". Les diamètres limités de l'entrée et de la sortie montrent qu'il existe une limite à la vitesse à laquelle les tonneaux peuvent être chargés ou déchargés. Cette limite correspond à la résistance interne de l'accumulateur. Même lorsque l'entrée et la sortie sont fermées, le fût perd du fluide au fil du temps car il possède des trous small et n'est donc pas parfaitement étanche. Ces pertes représentent l'autodécharge d'un accumulateur. Le vieillissement de l'accumulateur est décrit par la formation de "pierres". Elles réduisent le volume utilisable du fût et donc la capacité du système de stockage d'énergie. En outre, le fût rouille avec le temps, ce qui augmente le nombre de trous small et donc les pertes dues à l'"autodécharge".
Ce modèle, illustré à la figure 3, permet de décrire les processus les plus importants dans le fonctionnement d'un accumulateur. L'état actuel d'un système de stockage d'énergie est également appelé "état de santé".
Pertes pendant la charge et la décharge
Quel que soit l'état de la batterie, des pertes d'énergie se produisent également au cours de chaque processus de charge et de décharge. Nous savons tous par expérience que les téléphones portables ou les ordinateurs portables chauffent lors d'une utilisation intensive et également pendant la charge. Ces échauffements représentent des pertes énergétiques, car les quantités de chaleur ainsi libérées ne sont pas disponibles pour une utilisation réelle par le système de stockage d'énergie.
Grâce au capteur situé dans le module Module de pièces de monnaieModule calorimétrique faisant partie du calorimètre à modules multiples (MMC) permettant de réaliser des essais de balayage et des essais isothermes sur des pièces complètes de taille variable. La conception jumelée de type DSC donne un signal différentiel de la signature thermique au cours d'une rampe de chauffage ou de la charge et de la décharge des batteries.Coin Cell de la Calorimètre à modules multiples (MMC)Un calorimètre à modes multiples composé d'une unité de base et de modules interchangeables. Un module est préparé pour la calorimétrie à vitesse accélérée (ARC), le module ARC. Un deuxième module est utilisé pour les essais de balayage (module de balayage). Un deuxième module est utilisé pour les tests de balayage (module de balayage) et un troisième et un quatrième modules sont utilisés pour les tests de batteries et de polymères, ainsi que pour les tests pharmaceutiques pour les cellules à pièces de monnaie (module de cellules à pièces de monnaie).MMC (figure 2), ces pertes de chaleur peuvent être détectées et quantifiées.
Contrôle des cycles de charge et de décharge
Les batteries lithium-ion sont très sensibles à la surcharge, qui peut facilement entraîner la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition des électrolytes. C'est pourquoi les méthodes de charge courantes limitent généralement la tension de charge maximale à 4,2 V [7]. Dans ce travail également, les cycles de charge et de décharge d'une cellule lithium-ion (LiR 2032) ont été limités en utilisant une tension de coupure de 4,2 V pour la charge et de 2,5 V pour la décharge. Il en résulte le cycle illustré à titre d'exemple dans la figure 4. Après un cycle de précharge (non illustré ici), la pile est chargée à 25°C avec un courant constant de 45 mA jusqu'à une tension de coupure de 4,2 V 1 . Dans la phase de relaxation 2 qui suit, la pile et le capteur reviennent à l'équilibre thermique. La phase de dichargage 3 est limitée par la tension de coupure de 2,5 V et est à nouveau suivie d'une phase de relaxation 4.
Les signaux de courant et de tension sont transférés de l'unité de cyclage au logiciel d'évaluation NETZSCH Proteus® où un signal de puissance est automatiquement calculé. Pour la détermination des pertes pendant la charge et la décharge, la puissance investie et la chaleur dégagée peuvent ainsi être déterminées indépendamment pour chaque cycle partiel. Il est ainsi possible d'indiquer quelle proportion de l'énergie investie a été libérée sous forme de chaleur.
La figure 5 montre comment l'évaluation par zone du signal de flux thermique du processus de charge calcule automatiquement l'énergie investie (ici 411,6 J) et la met en rapport avec le signal de flux thermique mesuré (ici 11,12 J). Il en résulte un rendement de 97,3 %. Pour la décharge qui suit, le rendement n'est que de 89,9 % en raison de la production de chaleur nettement plus élevée.
Différents taux de charge et de décharge
Si les cycles de charge et de décharge sont effectués à des vitesses différentes en fonction des critères d'arrêt susmentionnés, on constate que l'énergie absorbée par le système de stockage d'énergie, et donc, bien sûr, la quantité d'énergie disponible lors de la décharge, dépend très fortement de la vitesse respective (figure 6). Si la cellule identique (LiR 2032) est chargée à 45 mA (C/1), 415 J sont absorbés, alors qu'à un taux de charge de C/8 (5,6 mA), près de 550 J sont absorbés.
La température à laquelle l'accumulateur est soumis à un cycle a également une influence sur la quantité d'énergie absorbée et sur l'efficacité de la charge et de la décharge. La figure 7 illustre les énergies absorbées lors des cycles de charge à différentes températures.
Résumé
Le Calorimètre à modules multiples (MMC)Un calorimètre à modes multiples composé d'une unité de base et de modules interchangeables. Un module est préparé pour la calorimétrie à vitesse accélérée (ARC), le module ARC. Un deuxième module est utilisé pour les essais de balayage (module de balayage). Un deuxième module est utilisé pour les tests de balayage (module de balayage) et un troisième et un quatrième modules sont utilisés pour les tests de batteries et de polymères, ainsi que pour les tests pharmaceutiques pour les cellules à pièces de monnaie (module de cellules à pièces de monnaie).MMC Module de pièces de monnaieModule calorimétrique faisant partie du calorimètre à modules multiples (MMC) permettant de réaliser des essais de balayage et des essais isothermes sur des pièces complètes de taille variable. La conception jumelée de type DSC donne un signal différentiel de la signature thermique au cours d'une rampe de chauffage ou de la charge et de la décharge des batteries.Coin Cell Module 274 Nexus® a été utilisé pour étudier une pile rechargeable LiR 2032 à différentes températures et à différents taux de charge en ce qui concerne la chaleur qui en résulte. Pour les cycles de charge, une tension de coupure supérieure et inférieure de 4,2 V et 2,5 V a été utilisée. La puissance délivrée à l'accumulateur par l'unité de cyclage pendant la charge peut être quantifiée à partir des signaux de courant et de tension de l'unité de cyclage. La chaleur dégagée au cours de ce processus est directement mesurée par le capteur du module de pile à combustible. Le rapport entre la puissance transférée à l'accumulateur et la quantité de chaleur dégagée permet de déterminer indépendamment l'efficacité des processus de charge et de décharge. Il a été démontré que la puissance absorbée et l'efficacité de la charge et de la décharge dépendent fortement des taux de charge et de la température.