Inleiding
De NETZSCH Meervoudige Module Calorimeter (MMC)Een calorimeterapparaat met meerdere standen, bestaande uit een basiseenheid en verwisselbare modules. Eén module is voorbereid voor versnellende snelheidscalorimetrie (ARC), de ARC-module. Een tweede wordt gebruikt voor scantests (scanningmodule) en een derde en vierde is gerelateerd aan batterij- en polymeertests en farmaceztische tests voor muntcellen (muntcelmodule).Meervoudige Module Calorimeter (MMC) 274 Nexus® (figuur 1) biedt drie verschillende meetmodules. De Calorimetrie met versnellende snelheid (ARC)De methode beschrijft isotherme en adiabatische testprocedures die worden gebruikt om thermisch exotherme ontledingsreacties te detecteren.ARC® module kan worden gebruikt voor zogenaamde Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search is een meetmodus die wordt gebruikt in calorimeters volgens versnellende snelheidscalorimetrie (ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search is een meetmodus die wordt gebruikt in calorimeters volgens versnellende snelheidscalorimetrie (ARC).HWS) testen of Thermische runawayEen thermische runaway is de situatie waarbij een chemische reactor niet meer onder controle is met betrekking tot de temperatuur- en/of drukproductie veroorzaakt door de chemische reactie zelf. Simulatie van een thermische runaway wordt meestal uitgevoerd met een calorimeter volgens versnelde snelheidscalorimetrie (ARC).thermische runaway testen [1][2]; de Scanning module is geschikt voor toepassingen zoals de evaluatie van endotherme of exotherme FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen en thermische gevarenanalyse [3][4]; en de Coin Cell module is gespecialiseerd in het onderzoek van batterijen [5]. Een externe batterijcycluseenheid kan eenvoudig worden aangesloten op de Coin Cell Module via een LEMO connector. Signalen voor spanning en stroom kunnen worden overgebracht naar de NETZSCH Proteus® evaluatiesoftware. Het resulterende vermogenssignaal wordt automatisch bepaald en kan onafhankelijk worden gekwantificeerd voor laden en ontladen. Door het warmteverlies tijdens laden en ontladen te detecteren, is het mogelijk om de efficiëntie van het cyclisch laden van een batterij te evalueren. Hiervoor biedt de dubbele monsterdrager een DSC-achtige differentiële opstelling (afbeelding 2).
Omdat de meeste niet-destructieve isothermische laad- en ontlaadstudies op accu's worden uitgevoerd binnen een zeer small temperatuurbereik in de buurt van omgevingstemperatuur, is het essentieel om de calorimeter dienovereenkomstig te kalibreren. Voor kalibratie van temperatuur en gevoeligheid worden meestal metalen gebruikt als referentiemateriaal [6].
Bepaling van de batterijstatus
Als het gaat om het gebruik van een energieopslagsysteem, is de huidige "vulstand" altijd van belang - of het nu gaat om het evalueren van de resterende gebruikstijd van een mobiele telefoon of een laptop, of met betrekking tot de actieradius van een elektrisch voertuig. Hoewel de oplaadtijd van een mobiele telefoon of laptop slechts een ondergeschikte rol speelt, kan deze van bijzonder belang zijn in de context van elektromobiliteit.
Tonmodel
Het goed beschrijven van de huidige toestand van een energieopslagsysteem kan moeilijker zijn dan het op het eerste gezicht lijkt. Volgens [7] is het tonmodel een goede illustratie, omdat het goed werk levert in het visueel beschrijven van de belangrijkste invloedsfactoren tijdens het gebruik en in het bijzonder de factoren die te wijten zijn aan verouderingsprocessen (fig. 3). Het model vergelijkt het energieopslagsysteem met een regenton, waarbij het vloeistofniveau in de ton de huidige ladingstoestand weergeeft. Het totale volume in de nieuwe toestand komt overeen met de maximale capaciteit van 100%. Onderaan de ton is een uitlaat voor "ontladen" en bovenaan een inlaat voor "opladen". De beperkte diameters van de inlaat en de uitlaat illustreren dat er een limiet is aan de snelheid waarmee de vaten kunnen worden opgeladen of ontladen. Deze beperking komt overeen met de interne weerstand in de accumulator. Zelfs wanneer de inlaat en de uitlaat gesloten zijn, verliest het vat na verloop van tijd vloeistof omdat het small gaten heeft en dus niet perfect dicht is. Deze verliezen vertegenwoordigen de zelfontlading van een accumulator. Veroudering van de accumulator wordt verder beschreven door de vorming van "stenen". Deze verkleinen het bruikbare volume van het vat en dus de capaciteit van het energieopslagsysteem. Ook roest het vat na verloop van tijd, waardoor het aantal small gaten toeneemt en dus de verliezen door "zelfontlading".
Met dit model, weergegeven in figuur 3, kunnen de belangrijkste processen in de werking van een accumulator worden beschreven. De huidige toestand van een energieopslagsysteem wordt ook wel de "gezondheidstoestand" genoemd.
Verliezen tijdens opladen en ontladen
Ongeacht de status van de batterij treden er ook energieverliezen op tijdens elk laad- en ontlaadproces. We weten allemaal uit eigen ervaring dat mobiele telefoons of laptops warm worden tijdens intensief gebruik en ook tijdens het opladen. Deze warmteontwikkelingen vertegenwoordigen energetische verliezen, omdat de hoeveelheden warmte die op deze manier vrijkomen niet beschikbaar zijn voor daadwerkelijk gebruik door het energieopslagsysteem.
Met behulp van de sensor in de Coin Cell Module van de Meervoudige Module Calorimeter (MMC)Een calorimeterapparaat met meerdere standen, bestaande uit een basiseenheid en verwisselbare modules. Eén module is voorbereid voor versnellende snelheidscalorimetrie (ARC), de ARC-module. Een tweede wordt gebruikt voor scantests (scanningmodule) en een derde en vierde is gerelateerd aan batterij- en polymeertests en farmaceztische tests voor muntcellen (muntcelmodule).MMC (afbeelding 2) kunnen deze warmteverliezen worden gedetecteerd en gekwantificeerd.
Regeling van oplaad- en ontlaadcycli
Lithium-ion accu's zijn erg gevoelig voor overladen, omdat dit gemakkelijk kan leiden tot ontleding van de elektrolyten. Daarom beperken gangbare laadmethoden de maximale laadspanning meestal tot 4,2 V [7]. Ook in dit werk werden de laad- en ontlaadcycli van een lithium-ioncel (LiR 2032) beperkt met een grensspanning van 4,2 V voor laden en 2,5 V voor ontladen. Dit resulteert in de cyclus die als voorbeeld wordt getoond in figuur 4. Na een voorlaadcyclus (hier niet weergegeven) wordt de knoopcel opgeladen bij 25°C met een constante stroom van 45 mA tot een grensspanning van 4,2 V 1 . In de daaropvolgende relaxatiefase 2 komen de knoopcel en de sensor weer in thermisch evenwicht. De dichargatiefase 3 wordt beperkt door de dipspanning van 2,5 V en wordt opnieuw gevolgd door een relaxatiefase 4.
De stroom- en spanningssignalen worden van de cyclische eenheid naar de evaluatiesoftware NETZSCH Proteus® gestuurd, waar automatisch een vermogenssignaal wordt berekend. Voor het bepalen van de verliezen tijdens het laden en ontladen kunnen het geïnvesteerde vermogen en de afgegeven warmte dus onafhankelijk voor elke deelcyclus worden bepaald. Op deze manier kan worden aangegeven welk deel van de geïnvesteerde energie is vrijgekomen als warmte.
Figuur 5 laat zien hoe de oppervlakte-evaluatie van het warmtestroomsignaal van het laadproces automatisch de geïnvesteerde energie (hier 411,6 J) berekent en in verhouding brengt met het gemeten warmtestroomsignaal (hier 11,12 J). Dit resulteert in een efficiëntie van 97,3%. Voor de daaropvolgende ontlading bedraagt het rendement slechts 89,9% vanwege de aanzienlijk hogere warmteontwikkeling.
Verschillende oplaad- en ontlaadsnelheden
Als laad- en ontlaadcycli worden uitgevoerd met verschillende snelheden volgens de eerder genoemde uitschakelcriteria, kan worden gezien dat de energie die door het energieopslagsysteem wordt geabsorbeerd, en dus de hoeveelheid energie die beschikbaar is tijdens het ontladen, zeer sterk afhangt van de respectieve snelheid (figuur 6). Als de identieke cel (LiR 2032) wordt geladen met 45 mA (C/1), wordt 415 J geabsorbeerd, terwijl bij een laadsnelheid van C/8 (5,6 mA) bijna 550 J wordt geabsorbeerd.
De temperatuur waarop de accu wordt geladen heeft ook invloed op de hoeveelheid geabsorbeerde energie en het laad- en ontlaadeffect. Figuur 7 toont de geabsorbeerde energieën van de laadcycli bij verschillende temperaturen.
Samenvatting
De Meervoudige Module Calorimeter (MMC)Een calorimeterapparaat met meerdere standen, bestaande uit een basiseenheid en verwisselbare modules. Eén module is voorbereid voor versnellende snelheidscalorimetrie (ARC), de ARC-module. Een tweede wordt gebruikt voor scantests (scanningmodule) en een derde en vierde is gerelateerd aan batterij- en polymeertests en farmaceztische tests voor muntcellen (muntcelmodule).MMC Coin Cell Module 274 Nexus® werd gebruikt om een oplaadbare LiR 2032 MuntcelmoduleEen calorimetermodule die deel uitmaakt van de Multiple Module Calorimeter (MMC) waarmee complete munten van variabele grootte kunnen worden gescand en isothermisch getest. Het DSC-achtige dubbele ontwerp geeft een differentieel signaal van de warmtesignatuur tijdens een opwarmfase of het opladen en ontladen van batterijen. muntcel te onderzoeken bij verschillende temperaturen en verschillende oplaadsnelheden met betrekking tot de warmte die daarbij vrijkomt. Voor de laadcycli werden een boven- en ondergrensspanning van 4,2 V en 2,5 V gebruikt. Het vermogen dat tijdens het laden door de cyclische eenheid aan de accu wordt geleverd, kan worden gekwantificeerd uit de stroom- en spanningssignalen van de cyclische eenheid. De warmte die vrijkomt tijdens dit proces wordt direct gemeten door de sensor van de Coin Cell Module. De verhouding tussen het vermogen dat aan de accu wordt overgedragen en de hoeveelheid warmte die vrijkomt, maakt het mogelijk om de efficiëntie van het laad- en ontlaadproces onafhankelijk van elkaar te bepalen. Er is aangetoond dat zowel het geabsorbeerde vermogen als de respectievelijke laad- en ontlaadefficiëntie sterk afhankelijk zijn van de oplaadsnelheden en de temperatuur.