Bevezetés
A NETZSCH Multiple Module Calorimeter (Többmodulos kaloriméter (MMC)Egy alapegységből és cserélhető modulokból álló, több üzemmódú kaloriméter készülék. Az egyik modul gyorsuló sebességű kalorimetriára van előkészítve (ARC), a ARC-Modul. Egy második a pásztázó vizsgálatokra szolgál (Scanning Module), egy harmadik pedig az érmecellás akkumulátorok vizsgálatához kapcsolódik (Coin Cell Module).MMC) 274 Nexus® (1. ábra) három különböző mérési modult kínál. A Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® modul az úgynevezett Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search a kalorimetriás készülékekben alkalmazott mérési mód a gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC) szerint.heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search a kalorimetriás készülékekben alkalmazott mérési mód a gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC) szerint.HWS) vizsgálatokhoz vagy termikus elszabadulási vizsgálatokhoz használható [1][2]; a Scanning modul olyan alkalmazásokhoz alkalmas, mint az endoterm vagy exoterm FázisátmenetekA fázisátalakulás (vagy fázisváltás) kifejezést leggyakrabban a szilárd, folyékony és gáz halmazállapotok közötti átmenetek leírására használják.fázisátmenetek értékelése, valamint a termikus veszélyek szűrése [3][4]; a Coin Cell modul pedig az akkumulátorok vizsgálatára specializálódott [5]. A Coin Cell Module-hoz egy LEMO-csatlakozón keresztül könnyen csatlakoztatható egy külső akkumulátor-ciklikus egység. A feszültség és az áram jeleit a NETZSCH Proteus® kiértékelő szoftverbe lehet továbbítani. Az így kapott teljesítményjel automatikusan meghatározásra kerül, és függetlenül számszerűsíthető a töltés és a kisütés esetében. A töltés és a kisütés során fellépő hőveszteség kimutatásával értékelhető az akkumulátor ciklikus üzemmódjának hatékonysága. Ehhez az ikermintatartó egy DSC-szerű differenciáldiagnosztikai elrendezést kínál (2. ábra).
Mivel a legtöbb roncsolásmentes IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus töltési és kisütési vizsgálatot az akkumulátorokon a környezeti hőmérséklethez közeli hőmérséklet-tartományban végzik small, elengedhetetlen, hogy a kalorimétert ennek megfelelően kalibrálják. A hőmérséklet- és érzékenységi kalibráláshoz általában fémeket használnak referenciaanyagként [6].
Az akkumulátor állapotának meghatározása
Amikor egy energiatároló rendszer használatáról van szó, annak aktuális "töltöttségi szintje" mindig érdekes - legyen szó akár egy mobiltelefon vagy egy laptop hátralévő üzemidejének értékeléséről, akár egy elektromos jármű hatótávolságáról. Ha egy mobiltelefon vagy egy laptop töltési ideje meglehetősen kis szerepet játszik is, az elektromobilitással összefüggésben különösen fontos lehet.
Ton modell
Egy energiatároló rendszer aktuális állapotának jó leírása nehezebb lehet, mint amilyennek elsőre tűnik. A [7] szerint a hordómodell jól szolgál a szemléltetésre, mivel jól képes vizuálisan leírni a használat során a legfontosabb befolyásoló tényezőket, különösen az öregedési folyamatokból adódó tényezőket (3. ábra). A modell az energiatároló rendszert egy esőhordóhoz hasonlítja, ahol a hordóban lévő folyadék szintje az aktuális töltöttségi állapotot jelzi. Az új állapotban lévő teljes térfogat megfelel a 100%-os maximális kapacitásnak. A hordó alján van egy kimeneti nyílás a "kisütéshez", és a tetején egy bemeneti nyílás a "töltéshez". A be- és kimeneti nyílás korlátozott átmérője azt mutatja, hogy a hordók feltöltésének vagy kisütésének sebessége korlátozott. Ez a korlátozás megfelel az akkumulátor belső ellenállásának. Még akkor is, ha a be- és kimeneti nyílás zárva van, a hordó idővel folyadékot veszít, mivel a hordó small lyukakkal rendelkezik, és ezért nem tökéletesen tömör. Ezek a veszteségek jelentik az akkumulátor önkisülését. Az akkumulátor öregedését továbbá a "kövek" képződése jellemzi. Ezek csökkentik a hordó felhasználható térfogatát és így az energiatároló rendszer kapacitását. Emellett a hordó idővel rozsdásodik, ami növeli a small lyukak számát és így az "önkisülés" miatti veszteségeket.
Ezzel a 3. ábrán látható modellel leírhatók az akkumulátor működésének legfontosabb folyamatai. Az energiatároló rendszer aktuális állapotát "állapotnak" is nevezik.
Veszteségek a töltés és a lemerítés során
Az akkumulátor állapotától függetlenül minden egyes töltési és kisütési folyamat során energiaveszteségek is keletkeznek. Mindannyian saját tapasztalatból tudjuk, hogy a mobiltelefonok vagy laptopok intenzív működés közben és töltés közben is felmelegednek. Ezek a hőfejlődések energetikai veszteségeket jelentenek, mivel az így felszabaduló hőmennyiségek nem állnak rendelkezésre az energiatároló rendszeren keresztül tényleges felhasználásra.
Az Többmodulos kaloriméter (MMC)Egy alapegységből és cserélhető modulokból álló, több üzemmódú kaloriméter készülék. Az egyik modul gyorsuló sebességű kalorimetriára van előkészítve (ARC), a ARC-Modul. Egy második a pásztázó vizsgálatokra szolgál (Scanning Module), egy harmadik pedig az érmecellás akkumulátorok vizsgálatához kapcsolódik (Coin Cell Module).MMC érmecellás moduljában lévő érzékelő segítségével (2. ábra) ezek a hőveszteségek kimutathatók és számszerűsíthetők.
A töltési és kisütési ciklusok vezérlése
A lítium-ion akkumulátorok nagyon érzékenyek a túltöltésre, mivel ez könnyen az elektrolitok Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásához vezethet. Ezért az általános töltési módszerek általában 4,2 V-ra korlátozzák a maximális töltési feszültséget [7]. Ebben a munkában is egy lítiumion-cella (LiR 2032) töltési és kisütési ciklusait korlátoztuk, 4,2 V-os határfeszültséggel töltéskor és 2,5 V-os határfeszültséggel kisütéskor. Ez a 4. ábrán példaként bemutatott ciklust eredményezi. Egy előtöltési ciklus után (itt nem látható) az érmecellát 25 °C-on 45 mA állandó árammal töltik 4,2 V 1 határfeszültségig. Az ezt követő RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs fázisban 2 az érmecella és az érzékelő visszatér a termikus egyensúlyba. A 3. dicharging fázist a 2,5 V-os határfeszültség korlátozza, amelyet ismét a 4. RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs fázis követ.
Az áram- és feszültségjelek a ciklikus egységből a NETZSCH Proteus® kiértékelő szoftverbe kerülnek, ahol a teljesítményjel automatikusan kiszámításra kerül. A töltés és a kisütés során fellépő veszteségek meghatározásához így a befektetett teljesítmény és a felszabaduló hő minden egyes részciklusra függetlenül meghatározható. Így jelezni lehet, hogy a befektetett energia mekkora hányada szabadult fel hő formájában.
Az 5. ábra azt mutatja, hogy a töltési folyamat hőáramjelének területi kiértékelése automatikusan kiszámítja a befektetett energiát (itt 411,6 J), és arányba hozza azt a mért hőáramjellel (itt 11,12 J). Ez 97,3%-os hatásfokot eredményez. Az ezt követő kisütésnél a hatékonyság a lényegesen nagyobb hőtermelés miatt csak 89,9%.
Különböző töltési és kisütési sebességek
Ha a töltési és kisütési ciklusokat a fent említett kikapcsolási kritériumoknak megfelelően különböző sebességgel végezzük, látható, hogy az energiatároló rendszer által felvett energia, és így természetesen a kisütés során rendelkezésre álló energia mennyisége is nagyon erősen függ az adott sebességtől (6. ábra). Ha az azonos cellát (LiR 2032) 45 mA-es (C/1) töltési sebességgel töltjük, 415 J-t veszünk fel, míg C/8-as (5,6 mA) töltési sebességnél közel 550 J-t.
A hőmérséklet, amelyen az akkumulátort ciklikusan működtetik, szintén befolyásolja az elnyelt energia mennyiségét, valamint a töltés és a kisütés hatékonyságát. A 7. ábra a töltési ciklusok során különböző hőmérsékleten elnyelt energiákat ábrázolja.
Összefoglaló
Az MMC Coin Cell Module 274 Nexus® segítségével egy újratölthető LiR 2032-es érmecellát vizsgáltak különböző hőmérsékleteken és különböző töltési sebességek mellett az ezáltal keletkező hő tekintetében. A töltési ciklusokhoz 4,2 V és 2,5 V felső és alsó határfeszültséget használtak. A ciklikus egység által a töltés során az akkumulátornak leadott teljesítmény a ciklikus egység áram- és feszültségjelzéseiből számszerűsíthető. A folyamat során felszabaduló hőt közvetlenül az érmecellás modul érzékelője méri. Az akkumulátornak átadott teljesítmény és a felszabaduló hőmennyiség aránya lehetővé teszi a töltési és kisütési folyamatok hatékonyságának független meghatározását. Kimutatták, hogy mind a felvett teljesítmény, mind a töltés és a kisütés hatékonysága erősen függ a töltési sebességtől és a hőmérséklettől.