Introduzione
Il Calorimetro a moduli multipli (MMC)Un dispositivo calorimetrico a modalità multipla costituito da un'unità di base e da moduli intercambiabili. Un modulo è predisposto per la calorimetria a velocità accelerata (ARC), il modulo ARC. Un secondo è utilizzato per i test di scansione (Scanning Module) e un terzo è relativo ai test sulle batterie per celle a moneta (Coin Cell Module).calorimetro a moduli multipli (MMC) NETZSCH 274 Nexus® (figura 1) offre tre diversi moduli di misura. Il modulo ARC® può essere utilizzato per i cosiddetti test Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search è una modalità di misurazione utilizzata nei dispositivi calorimetrici secondo la calorimetria a velocità accelerata (ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search è una modalità di misurazione utilizzata nei dispositivi calorimetrici secondo la calorimetria a velocità accelerata (ARC).HWS) o per i test di Fuga termicaUna fuga termica è la situazione in cui un reattore chimico è fuori controllo rispetto alla produzione di temperatura e/o pressione causata dalla reazione chimica stessa. La simulazione di una fuga termica viene solitamente effettuata utilizzando un dispositivo calorimetrico secondo la calorimetria accelerata (ARC).fuga termica [1][2]; il Modulo di scansioneUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro Multiplo (MMC) che consente di eseguire un test di scansione di un campione. Questa procedura può servire come test di screening per rilevare un potenziale pericolo termico in un tempo di misurazione ragionevolmente breve.modulo di scansione è adatto per applicazioni quali la valutazione delle Transizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso.transizioni di fase endotermiche o esotermiche e lo screening dei rischi termici [3][4]; il modulo Coin Cell è specializzato per l'analisi delle batterie [5]. Un'unità esterna per il ciclaggio delle batterie può essere facilmente collegata al modulo Coin Cell tramite un connettore LEMO. I segnali di tensione e corrente possono essere trasferiti al software di valutazione NETZSCH Proteus® . Il segnale di potenza risultante viene determinato automaticamente e può essere quantificato in modo indipendente per la carica e la scarica. Rilevando la perdita di calore durante la carica e la scarica, è possibile valutare l'efficienza del ciclo di una batteria. A tal fine, il portacampioni gemello offre una configurazione differenziale simile a quella del DSC (figura 2).
Poiché la maggior parte degli studi isotermici non distruttivi sulla carica e la scarica delle batterie vengono eseguiti in un intervallo di temperatura molto small vicino alla temperatura ambiente, è essenziale che il calorimetro venga calibratificato di conseguenza.libraPer la determinazione della temperatura e della sensibilità, di solito si utilizzano i metalli come materiali di riferimento [6].
Determinazione dello stato della batteria
Quando si tratta di utilizzare un sistema di accumulo di energia, il suo attuale "livello di riempimento" è sempre interessante, sia per valutare l'autonomia residua di un telefono cellulare o di un computer portatile, sia per quanto riguarda l'autonomia di un veicolo elettrico. Se il tempo di ricarica di un telefono cellulare o di un computer portatile ha un ruolo piuttosto secondario, può essere di particolare importanza nel contesto della mobilità elettrica.
Modello Ton
Descrivere bene lo stato attuale di un sistema di accumulo di energia può essere più difficile di quanto sembri a prima vista. Secondo [7], il modello a barile serve a illustrare bene, in quanto fa un buon lavoro nel descrivere visivamente i fattori di influenza più importanti durante l'uso e, in particolare, quelli dovuti ai processi di invecchiamento (fig. 3). Il modello paragona il sistema di accumulo di energia a un barile di pioggia, dove il livello del liquido nel barile rappresenta lo stato di carica attuale. Il volume totale nel nuovo stato corrisponde alla capacità massima del 100%. Nella parte inferiore del barile si trova un'uscita per lo "scarico" e nella parte superiore un'entrata per la "carica". I diametri limitati dell'ingresso e dell'uscita indicano che esiste un limite alla velocità di carica o di scarica dei barili. Questo limite corrisponde alla resistenza interna dell'accumulatore. Anche quando l'ingresso e l'uscita sono chiusi, il barilotto perde fluido nel corso del tempo perché presenta i fori small e quindi non è perfettamente a tenuta. Queste perdite rappresentano l'autoscarica di un accumulatore. L'invecchiamento dell'accumulatore è ulteriormente descritto dalla formazione di "pietre". Questi riducono il volume utilizzabile del barile e quindi la capacità del sistema di accumulo dell'energia. Inoltre, il barile si arrugginisce con il tempo, aumentando il numero di fori small e quindi le perdite dovute all'"autoscarica".
Con questo modello, illustrato nella figura 3, è possibile descrivere i processi più importanti nel funzionamento di un accumulatore. Lo stato attuale di un sistema di accumulo di energia viene anche definito "stato di salute".
Perdite durante la carica e la scarica
Indipendentemente dallo stato della batteria, durante ogni processo di carica e scarica si verificano perdite di energia. Tutti sappiamo, per esperienza personale, che i telefoni cellulari o i computer portatili si riscaldano durante il funzionamento intensivo e anche durante la ricarica. Questi sviluppi di calore rappresentano perdite energetiche, perché le quantità di calore rilasciate in questo modo non sono disponibili per l'uso effettivo attraverso il sistema di accumulo dell'energia.
Con l'aiuto del sensore nel modulo Coin Cell dell'Calorimetro a moduli multipli (MMC)Un dispositivo calorimetrico a modalità multipla costituito da un'unità di base e da moduli intercambiabili. Un modulo è predisposto per la calorimetria a velocità accelerata (ARC), il modulo ARC. Un secondo è utilizzato per i test di scansione (Scanning Module) e un terzo è relativo ai test sulle batterie per celle a moneta (Coin Cell Module).MMC (figura 2), queste perdite di calore possono essere rilevate e quantificate.
Controllo dei cicli di carica e scarica
Le batterie agli ioni di litio sono molto sensibili al sovraccarico, che può facilmente portare alla Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione degli elettroliti. Per questo motivo, i comuni metodi di carica limitano solitamente la tensione massima di carica a 4,2 V [7]. Anche in questo lavoro, i cicli di carica e scarica di una cella agli ioni di litio (LiR 2032) sono stati limitati utilizzando una tensione di taglio di 4,2 V per la carica e di 2,5 V per la scarica. Ne risulta il ciclo mostrato come esempio nella figura 4. Dopo un ciclo di precarica (non mostrato qui), laModulo cella a monetaUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro a moduli multipli (MMC) che consente di eseguire test a scansione e isotermici di monete complete di dimensioni variabili. Il design gemello simile al DSC fornisce un segnale differenziale della firma termica durante una rampa di riscaldamento o la carica e la scarica delle batterie. cella a moneta viene caricata a 25°C con una corrente costante di 45 mA fino a una tensione di taglio di 4,2 V 1 . Nella successiva fase di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento 2 , laModulo cella a monetaUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro a moduli multipli (MMC) che consente di eseguire test a scansione e isotermici di monete complete di dimensioni variabili. Il design gemello simile al DSC fornisce un segnale differenziale della firma termica durante una rampa di riscaldamento o la carica e la scarica delle batterie. cella a moneta e il sensore tornano all'equilibrio termico. La fase di dicarica 3 è limitata dalla tensione di cutoff di 2,5 V ed è nuovamente seguita da una fase di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento 4. I segnali di corrente e di tensione vengono trasferiti dalla cella a monete alla cella a monete.
I segnali di corrente e tensione vengono trasferiti dall'unità di ciclaggio al software di valutazione NETZSCH Proteus® dove viene calcolato automaticamente un segnale di potenza. Per la determinazione delle perdite durante la carica e la scarica, la potenza investita e il calore rilasciato possono essere determinati indipendentemente per ogni ciclo parziale. In questo modo, è possibile indicare quale percentuale dell'energia investita è stata rilasciata come calore.
La Figura 5 mostra come la valutazione dell'area del segnale di flusso di calore del processo di carica calcola automaticamente l'energia investita (qui 411,6 J) e la mette in proporzione con il segnale di flusso di calore misurato (qui 11,12 J). Il risultato è un'efficienza del 97,3%. Per la successiva scarica, l'efficienza ammonta solo all'89,9% a causa della generazione di calore significativamente più elevata.
Diverse velocità di carica e scarica
Se i cicli di carica e scarica vengono effettuati a velocità diverse in base ai criteri di spegnimento sopra citati, si può notare che l'energia assorbita dal sistema di accumulo dell'energia, e quindi ovviamente la quantità di energia disponibile durante la scarica, dipende fortemente dalla rispettiva velocità (figura 6). Se l'identica cella (LiR 2032) viene caricata a 45 mA (C/1), vengono assorbiti 415 J, mentre con una velocità di carica di C/8 (5,6 mA), vengono assorbiti quasi 550 J.
Anche la temperatura a cui viene sottoposto l'accumulatore ha un'influenza sulla quantità di energia assorbita e sull'efficienza di carica e scarica. La Figura 7 mostra le energie assorbite nei cicli di carica a diverse temperature.
Sintesi
Il modulo Calorimetro a moduli multipli (MMC)Un dispositivo calorimetrico a modalità multipla costituito da un'unità di base e da moduli intercambiabili. Un modulo è predisposto per la calorimetria a velocità accelerata (ARC), il modulo ARC. Un secondo è utilizzato per i test di scansione (Scanning Module) e un terzo è relativo ai test sulle batterie per celle a moneta (Coin Cell Module).MMC Coin Cell Module 274 Nexus® è stato utilizzato per analizzare una pila a bottone ricaricabile LiR 2032 a diverse temperature e a diverse velocità di carica per quanto riguarda il calore che si verifica. Per i cicli di carica sono state utilizzate una tensione di taglio superiore e inferiore di 4,2 V e 2,5 V. La potenza fornita all'accumulatore dall'unità di ciclaggio durante la carica può essere quantificata dai segnali di corrente e tensione dell'unità di ciclaggio. Il calore rilasciato durante questo processo viene misurato direttamente dal sensore del modulo Coin Cell. Il rapporto tra la potenza trasferita all'accumulatore e la quantità di calore rilasciata consente di determinare l'efficienza dei processi di carica e scarica in modo indipendente. È stato dimostrato che sia la potenza assorbita che l'efficienza di carica e scarica dipendono fortemente dalla velocità di carica e dalla temperatura.