Batterie

Una parte rilavante della ricerca e sviluppo nel campo delle batterie ha come obiettivo quello di trovare nuovi materiali che consentano di migliorare l’energia, la potenza, e l’efficienza nell’accumulo d’energia. È importante quindi avere una strumentazione avanzata per la caratterizzazione dei materiali impiegati per costruire catodi, anodi, separatori, elettroliti e contenitori.

Se sviluppate o producete materiali per l’industria delle batterie, potreste aver bisogno di:

 

• Caratterizzare materiali nano/amorfi/semi-cristallini
• Capire il comportamento dei materiali e la loro stabilità in funzione della temperatura
• Identificare le specie chimiche gassose prodotte (reazione, decomposizione, desorbimento)
• Conoscere la stabilità termica delle materie
• Creare diagrammi di trasformazione e di fase
• Ottenere i valori delle proprietà termiche di celle e impacchettamenti da inserire in programmi di simulazione

Una volta selezionato un nuovo materiale, bisogna pensare alla progettazione delle componenti considerandone il processo produttivo e l’uso futuro. NETZSCH fornisce una serie completa di strumenti per caratterizzare a fondo elettrodi, separatori, elettroliti.

Se sviluppate o producete componenti per batterie, potreste aver bisogno di:

 

• Caratterizzare le proprietà termomeccaniche, come ad esempio l’espansione termica o il restringimento e la perdita di peso durante la sinterizzazione
• Caratterizzare la conduttività termica degli elettrodi
• Misurare la capacità termica e la conduttanza di elettrodi di simile porosità
• Aumentare la stabilità termica dell’elettrodo
• Analizzare il comportamento termico dell’elettrodo sotto pressione
• Rilevare punti d’incompatibilità tra materiali
• Sviluppare metodi QC per la produzione e lo scale-up

Ogni applicazione ha i propri requisiti e vincoli di prestazione. Non esiste un’unica soluzione chimica valida per qualsiasi necessità. Quando si sviluppano nuove tecnologie e i campi applicativi cambiano, è spesso necessario progettare nuove componenti. Un sistema di gestione termico ben concepito è essenziale per ottimizzare il tempo di vita e le prestazioni di una batteria. La prestazione e la durata delle batterie, perché dispositivi elettrochimici, sono influenzate dalla temperatura. Alte temperature implicano l’aumento di reazioni collaterali, la decomposizione delle interfacce, l’accorciamento del tempo di vita, e determinano quindi l’aumento finale dei costi delle batterie.

Lo sviluppo di batterie perfettamente calibrate richiede sia la misura accurata del calore sviluppato dal sistema durante il totale dei cicli di carica/scarica, che la conoscenza del comportamento del sistema durante gli StressStress is defined as a level of force applied on a sample with a well-defined cross section. (Stress = force/area). Samples having a circular or rectangular cross section can be compressed or stretched. Elastic materials like rubber can be stretched up to 5 to 10 times their original length.stress test.

Se sviluppate o producete celle per batterie, potreste aver bisogno di:

 

• Conoscere l’influenza del design di cella sulla prestazione della batteria
• Conoscere la temperatura alla quale le celle a ioni di litio o le loro componenti esibiscono reazioni esotermiche
• Conoscere la quantità di energia rilasciata durante una reazione, la velocità di reazione, i livelli di pressione raggiunti a seguito della formazione di gas
• Studiare l’impatto della penetrazione di un ago o di un test di rottura meccanica

Quando una batteria è caricata o scaricata, questa genera o assorbe calore. La calorimetria IsotermaLe prove effettuate a temperatura costante e controllata vengono definiti isoterme. isoterma, equipaggiata con un dispositivo di carica, è un metodo pratico per caratterizzare il flusso di calore e quindi determinare il ciclo di vita delle batterie. La temperatura, la velocità di carica/scarica e lo stato di carica (DOD o SOC), hanno tutte la loro influenza, più o meno importante, sul ciclo di vita delle celle. L’opportunità della progettazione di nuove batterie (la scelta di nuovi materiali e/o l’assemblaggio di componenti) può essere valutata grazie a misure calorimetriche. Il Calorimetro AdiabaticoIl termine “Adiabatico” descrive un sistema o una modalità di misura che non comporta alcuno scambio di calore con l’esterno. Questa condizione può essere realizzata in strumenti come il calorimetro di reazione (ARC). Lo scopo principale di questo tipo di strumento è quello di studiare le reazioni termiche di fuga e quindi la situazione di caso peggiore (worst-case scenario). Una descrizione breve della condizione adiabatica è “non entra calore – non esce calore”. Adiabatico di Reazione (ARC^®) consente di condurre analisi in modalità isoterma, in piena sicurezza per l’operatore e lo strumento.

Se studiate le prestazioni delle batterie, potreste aver bisogno di:

 

• Raccogliere dati accurati sulla produzione di calore
• Condurre test di carica/scarica senza alcun rischio di distruzione dello strumento
• Comprendere se avviene una perdita in termini di prestazioni
• Monitorare la prestazione nel corso del tempo, per valutare l’effetto dell’invecchiamento e dell’uso ciclico
• Pianificare modifiche fisiche ed elettrochimiche che consentano di migliorare l’efficienza delle batterie

Quando le batterie terminano il loro ciclo di vita, sono raccolte per essere ricondizionate o riutilizzate in applicazioni che richiedono minor prestazione; in alternativa vengono smontate, e le singole componenti riciclate.
Le batterie sono costituite da polimeri di diversa natura, da ossidi e da metalli.

L’analisi termica è fondamentale per caratterizzare la natura di questi materiali e il loro conseguente trattamento.

Se vi occupate di riciclo dei materiali per batterie, potreste aver bisogno di:
 

• Studiare la possibilità di separare fisicamente le diverse componenti
• Valutare l’efficienza dello smaltimento delle componenti quando la batteria smontata
• Caratterizzare ogni componente dopo aver smontato la batteria
• Conoscere il comportamento dei materiali e la loro stabilità in funzione della temperatura

La tecnologia delle batterie al litio offre numerosi vantaggi applicativi, come ad esempio nel caso di dispositive portatili, ma richiede un’attenzione particolare in termini di sicurezza.
Chi sviluppa batterie necessita pertanto di avere gli strumenti idonei per progettare sistemi sempre più sicuri, senza limitarne però le prestazioni.

La calorimetria adiabatica, rendendo possibile lo studio della deriva termica, fornisce informazioni pertinenti, come ad esempio le temperature alle quali le batterie al litio e le loro costituenti sono soggette a reazioni fortemente esotermiche e le relative pressioni sviluppate. Mediante la calorimetria isoterma si possono ottenere risposte a domande precise sulla gestione termica delle batterie in corso di studio.

Se producete o sviluppate materiali per batterie, se progettate celle o le montate, potreste aver bisogno di:
 

• Misurare la pressione generata durante l’esplosione di una cella nel calorimetro
• Misurate la temperatura interna alla quale avviene un corto circuito causato dalla decomposizione dei singoli componenti
• Comprendere i processi, chimici e termici, che avvengono quando un corto circuito interno crea dei punti caldi nella cella
• Progettare celle che possano minimizzare la tendenza alla formazione di punti caldi e al consumo delle componenti
• Progettare o selezionare dispositivi di sicurezza (es. ventole, CID, PTC) basandosi sui dati di temperatura e pressione tipici della cella durante la sua decomposizione termica, e capire quanto questi dispositivi siano efficaci nella loro funzione
• Classificare celle singole in termini di potenziale rischiosità
• Condurre test durante un ciclo completo di carica/scarica in condizioni isoterme senza rischio di distruggere lo strumento
• Ridurre la presenza di reazioni a catena interne alle batterie, dovute al trasporto di calore tra celle adiacenti