Introdução
O NETZSCH Multiple Module Calorimeter (Calorímetro de múltiplos módulos (MMC)Um dispositivo de calorímetro de modo múltiplo que consiste em uma unidade de base e módulos intercambiáveis. Um módulo é preparado para calorimetria de taxa acelerada (ARC®), o ARC®-Module. Um segundo é usado para testes de varredura (Scanning Module) e um terceiro e quarto estão relacionados a baterias e polímeros, testes farmacêuticos para células tipo moeda (Coin Cell Module).MMC) 274 Nexus® (figura 1) oferece três módulos de medição diferentes. O Módulo Calorimetria de taxa acelerada (ARC)O método que descreve os procedimentos de teste isotérmico e adiabático usados para detectar reações de decomposição termicamente exotérmicas.ARC® pode ser usado para os chamados testes Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search é um modo de medição usado em dispositivos de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC®).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search é um modo de medição usado em dispositivos de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC®).HWS) ou testes de Fuga térmicaO descontrole térmico é a situação em que um reator químico fica fora de controle em relação à produção de temperatura e/ou pressão causada pela própria reação química. A simulação de um descontrole térmico geralmente é realizada usando um dispositivo de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC®).fuga térmica [1][2]; o Módulo de Varredura é adequado para aplicações como a avaliação de Transições de faseO termo transição de fase (ou mudança de fase) é mais comumente usado para descrever transições entre os estados sólido, líquido e gasoso.transições de fase endotérmicas ou exotérmicas, bem como a triagem de risco térmico [3][4]; e o Módulo Coin Cell é especializado na investigação de baterias [5]. Uma unidade externa de ciclo de bateria pode ser facilmente conectada ao Coin Cell Module por meio de um conector LEMO. Os sinais de EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão e corrente podem ser transferidos para o software de avaliação NETZSCH Proteus® . O sinal de energia resultante é determinado automaticamente e pode ser quantificado de forma independente para carga e descarga. Ao detectar a perda de calor durante a carga e a descarga, é possível avaliar a eficiência do ciclo de uma bateria. Para isso, o porta-amostras duplo oferece uma configuração diferencial semelhante à DSC (figura 2).
Como a maioria dos estudos não destrutivos de carregamento e descarregamento IsotérmicoOs testes com temperatura controlada e constante são chamados de isotérmicos.isotérmico de baterias é realizada em uma faixa de temperatura muito small próxima à temperatura ambiente, é essencial que o calorímetro seja calibratado de acordo.libraPara a medição de temperatura e sensibilidade, os metais são normalmente usados como materiais de referência [6].
Determinação do status da bateria
Quando se trata de usar um sistema de armazenamento de energia, seu "nível de preenchimento" atual é sempre de interesse - seja para avaliar o tempo de execução restante de um telefone celular ou laptop, seja em relação à autonomia de um veículo elétrico. Se o tempo de carregamento de um telefone celular ou de um laptop desempenha um papel secundário, ele pode ser de particular importância no contexto da eletromobilidade.
Modelo de tonelada
Descrever bem o estado atual de um sistema de armazenamento de energia pode ser mais difícil do que parece à primeira vista. De acordo com [7], o modelo de barril serve para ilustrar bem, pois faz um bom trabalho ao descrever visualmente os fatores influentes mais importantes durante o uso e, em particular, aqueles devidos aos processos de envelhecimento (fig. 3). O modelo compara o sistema de armazenamento de energia com um barril de chuva, em que o nível do líquido no barril representa o estado atual da carga. O volume total no novo estado corresponde à capacidade máxima de 100%. Na parte inferior do barril, há uma saída para "descarga" e, na parte superior, uma entrada para "carga". Os diâmetros limitados da entrada e da saída ilustram que há um limite para a velocidade com que os barris podem ser carregados ou descarregados. Essa limitação corresponde à resistência interna do acumulador. Mesmo quando a entrada e a saída estão fechadas, o cilindro perde fluido ao longo do tempo porque tem small orifícios e, portanto, não é perfeitamente estanque. Essas perdas representam a autodescarga de um acumulador. O envelhecimento do acumulador é descrito ainda pela formação de "pedras". Elas reduzem o volume utilizável do barril e, portanto, a capacidade do sistema de armazenamento de energia. Além disso, o barril enferruja com o tempo, aumentando o número de small furos e, portanto, as perdas devido à "autodescarga".
Com esse modelo, mostrado na figura 3, é possível descrever os processos mais importantes na operação de um acumulador. O estado atual de um sistema de armazenamento de energia também é chamado de "estado de saúde".
Perdas durante a carga e a descarga
Independentemente do status da bateria, também ocorrem perdas energéticas durante cada processo de carga e descarga. Todos nós sabemos, por experiência própria, que os telefones celulares ou laptops esquentam durante a operação intensiva e também durante a carga. Esses desenvolvimentos de calor representam perdas energéticas, pois as quantidades de calor liberadas dessa forma não estão disponíveis para uso real por meio do sistema de armazenamento de energia.
Com a ajuda do sensor no módulo Coin Cell do Calorímetro de múltiplos módulos (MMC)Um dispositivo de calorímetro de modo múltiplo que consiste em uma unidade de base e módulos intercambiáveis. Um módulo é preparado para calorimetria de taxa acelerada (ARC®), o ARC®-Module. Um segundo é usado para testes de varredura (Scanning Module) e um terceiro e quarto estão relacionados a baterias e polímeros, testes farmacêuticos para células tipo moeda (Coin Cell Module).MMC (figura 2), essas perdas de calor podem ser detectadas e quantificadas.
Controle dos ciclos de carga e descarga
As baterias de íon-lítio são muito sensíveis em relação à sobrecarga, pois isso pode facilmente levar à Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição dos eletrólitos. Portanto, os métodos comuns de carregamento geralmente limitam a EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão máxima de carregamento a 4,2 V [7]. Também neste trabalho, os ciclos de carga e descarga de uma célula de íons de lítio (LiR 2032) foram limitados usando uma EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de corte de 4,2 V para carga e 2,5 V para descarga. Isso resulta no ciclo mostrado como exemplo na Figura 4. Após um ciclo de pré-carga (não mostrado aqui), a célula tipo moeda é carregada a 25 °C com uma corrente constante de 45 mA até uma EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de corte de 4,2 V 1 . Na fase de RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento 2 subsequente, a célula tipo moeda e o sensor retornam ao equilíbrio térmico. A fase de dicarga 3 é limitada pela EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de corte de 2,5 V e é novamente seguida por uma fase de RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento 4.
Os sinais de corrente e EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão são transferidos da unidade de ciclagem para o software de avaliação NETZSCH Proteus® , onde um sinal de potência é calculado automaticamente. Para a determinação das perdas durante a carga e a descarga, a potência investida e o calor liberado podem ser determinados independentemente para cada ciclo parcial. Dessa forma, é possível indicar que proporção da energia investida foi liberada como calor.
A Figura 5 mostra como a avaliação de área do sinal de fluxo de calor do processo de carregamento calcula automaticamente a energia investida (aqui 411,6 J) e a coloca em proporção com o sinal de fluxo de calor medido (aqui 11,12 J). Isso resulta em uma eficiência de 97,3%. Para a descarga subsequente, a eficiência é de apenas 89,9% devido à geração de calor significativamente maior.
Diferentes taxas de carga e descarga
Se os ciclos de carga e descarga forem realizados em taxas diferentes, de acordo com os critérios de desligamento mencionados anteriormente, pode-se observar que a energia absorvida pelo sistema de armazenamento de energia e, portanto, obviamente, a quantidade de energia disponível durante a descarga, depende muito da respectiva taxa (figura 6). Se a célula idêntica (LiR 2032) for carregada a 45 mA (C/1), 415 J serão absorvidos, enquanto que a uma taxa de carregamento de C/8 (5,6 mA), quase 550 J serão absorvidos.
A temperatura na qual o acumulador é submetido a ciclos também influencia a quantidade de energia absorvida e a eficiência de carga e descarga. A Figura 7 mostra as energias absorvidas dos ciclos de carga em diferentes temperaturas.
Resumo
O Calorímetro de múltiplos módulos (MMC)Um dispositivo de calorímetro de modo múltiplo que consiste em uma unidade de base e módulos intercambiáveis. Um módulo é preparado para calorimetria de taxa acelerada (ARC), o ARC-Module. Um segundo é usado para testes de varredura (Scanning Module) e um terceiro e quarto estão relacionados a baterias e polímeros, testes farmacêuticos para células tipo moeda (Coin Cell Module).MMC Coin Cell Module 274 Nexus® foi usado para investigar uma célula tipo moeda LiR 2032 recarregável em diferentes temperaturas e diferentes taxas de carregamento com relação ao calor que ocorre. Para os ciclos de carregamento, foram usadas as tensões de corte superior e inferior de 4,2 V e 2,5 V. A energia fornecida ao acumulador pela unidade de ciclo durante o carregamento pode ser quantificada a partir dos sinais de corrente e EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão da unidade de ciclo. O calor liberado durante esse processo é medido diretamente pelo sensor do módulo Coin Cell. A relação entre a potência transferida para o acumulador e a quantidade de calor liberada permite que a eficiência dos processos de carga e descarga seja determinada de forma independente. Foi demonstrado que tanto a energia absorvida quanto a respectiva eficiência de carga e descarga dependem muito das taxas de carga e da temperatura.