Test delle batterie mediante analisi termica

Attualmente si stanno compiendo notevoli sforzi per la ricerca sulle batteriearch. L'obiettivo è quello di trovare nuovi materiali che consentano una migliore densità di energia e di potenza e un più efficiente immagazzinamento dell'energia. Ciò richiede una strumentazione sofisticata per la produzione e la caratterizzazione di materiali quali anodi e catodi, separatori, elettroliti e strati limite.

Se sviluppate o producete materie prime per l'industria delle batterie, potreste voler:

• Caratterizzare materiali nano/amorfi/scarsamente cristallini
• Comprendere il comportamento e la stabilità dei materiali in funzione della temperatura
• Ottenere l'identificazione chimica dei gas evoluti (reazione, Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione, desorbimento)
• Comprendere la Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica delle materie prime delle batterie
• Ottenere trasformazioni di fase e diagrammi di fase
• Ottenere dati sulle proprietà termiche da inserire nei programmi di modellazione termica di celle e pacchi

Una volta che le nuove materie prime sono state select, la progettazione degli elettrodi porta a domande relative alla loro produzione e al loro utilizzo. Noi di NETZSCH offriamo una serie completa di strumenti per la caratterizzazione di elettrodi, separatori ed elettroliti.

Se sviluppate o producete componenti per batterie, potreste voler:

• Caratterizzare le proprietà termomeccaniche, come il ritiro e la perdita di peso durante la SinterizzazioneLa sinterizzazione è un processo di produzione per la formazione di un corpo meccanicamente resistente a partire da una polvere ceramica o metallica. sinterizzazione e l'espansione termica
• Caratterizzare la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica dell'elettrodo
• Misurare la capacità termica e la conduttanza termica di elettrodi della stessa porosità
• Migliorare la Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica del catodo
• Analizzare il comportamento termico dell'elettrodo sotto alta pressione
• Individuare problemi di incompatibilità tra i componenti
• Sviluppare metodi di controllo qualità per la produzione e la scalabilità del processo

Ogni applicazione ha requisiti e vincoli di prestazione diversi. Nessuna chimica è la soluzione giusta per tutte le applicazioni. Potrebbero essere necessarie modifiche ai componenti in base alle esigenze dell'applicazione e alla disponibilità di nuove tecnologie. Un sistema di gestione termica ben progettato è fondamentale per la durata e le prestazioni delle celle delle batterie. In quanto dispositivi elettrochimici, le prestazioni e la durata delle batterie sono influenzate dalla temperatura. Le alte temperature aumentano le reazioni collaterali e la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione dei confini interfacciali, riducendo la durata delle batterie e aumentandone i costi di sostituzione.

Lo sviluppo di sistemi di batterie a precisione calibratica si basa su misurazioni accurate del calore generato dalle celle della batteria durante l'intera gamma di cicli di carica/scarica, nonché sul comportamento durante i test di abuso.

Se sviluppate o producete celle per batterie, potreste voler:

• Comprendere l'impatto del design della cella sulle prestazioni della batteria
• Conoscere la temperatura alla quale le celle agli ioni di litio o i loro componenti possono presentare una reazione altamente esotermica
• Conoscere la quantità di energia rilasciata durante una reazione, la velocità della reazione e i livelli di pressione derivanti dal gas di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione che si forma
• Valutare l'impatto di un test di penetrazione o schiacciamento di un chiodo nella batteria

Quando una batteria viene caricata o scaricata, viene generato e assorbito calore. La calorimetria isotermica in combinazione con i ciclatori per batterie è un modo intelligente per caratterizzare il flusso di calore e quindi per analizzare il ciclo di vita della batteria. La temperatura, la velocità di carica/scarica e la profondità di scarica influenzano notevolmente la durata delle celle. I nuovi progetti di batterie (scelta di nuovi materiali e/o assemblaggio di nuovi componenti) possono essere valutati grazie alla misurazione calorimetrica. Il calorimetro a velocità accelerata (ARC^®) dotato di un sensore 3D consente di eseguire test in modalità isoterma in totale sicurezza per lo strumento e l'operatore.

Se analizzate le prestazioni di una batteria, potreste voler:

• Raccogliere dati accurati sulla generazione di calore dal modulo della batteria
• Eseguire in totale sicurezza un test di carica/scarica senza correre il rischio di distruggere lo strumento
• Capire se c'è stato un deterioramento delle prestazioni originali
• Ottenere una firma delle prestazioni nel tempo per valutare gli effetti dell'invecchiamento e del ciclaggio
• Valutare le modifiche fisiche ed elettrochimiche che potrebbero portare a moduli batteria migliori

Quando le batterie hanno raggiunto la fine del loro ciclo di vita, vengono raccolte per essere ricondizionate o riutilizzate in applicazioni meno impegnative, oppure vengono smontate e ogni singolo componente viene riciclato. Le batterie sono costruite con assemblaggi di diversi polimeri, ossidi e materiali metallici. L'analisi termica è un utile strumento di caratterizzazione in questo campo.

Se vi occupate di riciclaggio di batterie, potreste voler:

• Valutare la fattibilità della separazione fisica dei suoi componenti principali
• Valutare l'efficienza della liberazione dei diversi componenti quando la batteria viene convertita in frammenti
• Caratterizzare ogni componente della batteria, quando è frammentata
• Caratterizzare i materiali riciclati nano / amorfi / scarsamente cristallini
• Comprendere il comportamento della stabilità dei materiali riciclati in funzione della temperatura

La tecnologia delle batterie agli ioni di litio offre molti vantaggi nelle applicazioni energetiche portatili, ma una delle principali preoccupazioni è la sicurezza. Gli sviluppatori di batterie hanno bisogno di strumenti che consentano loro di progettare batterie più sicure senza compromettere le prestazioni.

Attraverso uno schema di "Lo scenario peggioreIn relazione a un reattore chimico, lo scenario peggiore è la situazione in cui la produzione di temperatura e/o pressione causata dalla reazione va fuori controllo. scenario peggiore" (thermal runaway), la calorimetria adiabatica può fornire molte risposte pertinenti, tra cui la temperatura alla quale le celle agli ioni di litio o i loro componenti possono manifestare una reazione altamente esotermica e la pressione associata. Con la calorimetria isoterma, è possibile ottenere direttamente informazioni per la gestione termica, ottenute tramite il thermal runaway.

Se sviluppate o producete materie prime per batterie, progettate celle e pacchi di batterie, potreste voler:

• Analizzare la 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 della batteria sia in situazioni normali che in situazioni di utilizzo improprio
• Analizzare la pressione generata quando la cella della batteria esplode nel calorimetro
• Capire a quale temperatura si verifica il cortocircuito interno dovuto alla Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione dei singoli componenti
• Capire cosa succede dal punto di vista chimico e termico quando i cortocircuiti interni producono spots caldi all'interno della cella
• Progettare celle che siano progettate per diminuire la probabilità di crescita di punti caldi e il consumo della cella
• Progettare, select, o specificare dispositivi di sicurezza termica (ad es. sfiato, CID, PTC) basati su dati di temperatura e pressione all'interno di una cella durante la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione termica e conoscere l'efficacia di questi dispositivi nel mitigare le conseguenze dei guasti
• Classificare le singole celle in base ai loro potenziali rischi e pericoli
• Eseguire in totale sicurezza un test IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico di carica/scarica senza rischiare di distruggere lo strumento
• Ridurre la probabilità di una reazione a catena di guasti alle celle a causa del trasporto di calore tra celle adiacenti

Le raccomandazioni del nostro Libro Bianco per voi:

• Libro bianco: Sicurezza delle batterie (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) - Calorimetria adiabatica per il test delle batterie avanzate (versione inglese)
• Libro bianco: Ciclo della batteria - Calorimetria isotermica per i test avanzati delle batterie (versione inglese)