Introducere
Calorimetrul cu module multiple (Calorimetru cu module multiple (MMC)Dispozitiv calorimetric multimodal constând dintr-o unitate de bază și module interschimbabile. Un modul este pregătit pentru calorimetria cu rată de accelerare (ARC), ARC-Module. Un al doilea este utilizat pentru testele de scanare (Scanning Module), iar al treilea și al patrulea sunt legate de testele pentru baterii și polimeri, testele farmaceutice pentru celulele monedelor (Coin Cell Module).MMC) NETZSCH 274 Nexus® (figura 1) oferă trei module de măsurare diferite. Modulul Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC® poate fi utilizat pentru așa-numitele teste Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search este un mod de măsurare utilizat în dispozitivele calorimetrice în conformitate cu calorimetria accelerată (ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search este un mod de măsurare utilizat în dispozitivele calorimetrice în conformitate cu calorimetria accelerată (ARC).HWS) sau testele de fugă termică [1][2]; modulul de scanare este potrivit pentru aplicații precum evaluarea tranzițiilor de fază EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermice sau exotermice, precum și pentru depistarea riscurilor termice [3][4]; iar modulul Coin Cell este specializat pentru investigarea bateriilor [5]. O unitate externă de ciclare a bateriei poate fi conectată cu ușurință la modulul Coin Cell prin intermediul unui conector LEMO. Semnalele pentru tensiune și curent pot fi transferate către software-ul de evaluare NETZSCH Proteus® . Semnalul de putere rezultat este determinat automat și poate fi cuantificat independent pentru încărcare și descărcare. Prin detectarea pierderilor de căldură în timpul încărcării și descărcării, este posibil să se evalueze eficiența ciclării unei baterii. În acest scop, suportul dublu de probe oferă o configurație diferențială de tip DSC (figura 2).
Deoarece majoritatea studiilor nedistructive izoterme de încărcare și descărcare a bateriilor sunt efectuate într-un interval de temperatură foarte small, apropiat de temperatura ambiantă, este esențial ca calorimetrul să fie calibrat corespunzător. Pentru calibrarea temperaturii și a sensibilității, metalele sunt de obicei utilizate ca materiale de referință [6].
Determinarea stării bateriei
Atunci când vine vorba de utilizarea unui sistem de stocare a energiei, "nivelul de umplere" actual al acestuia este întotdeauna de interes - fie pentru evaluarea duratei de funcționare rămase a unui telefon mobil sau a unui laptop, fie cu privire la autonomia unui vehicul electric. Dacă timpul de încărcare al unui telefon mobil sau al unui laptop joacă un rol mai degrabă minor, acesta poate fi deosebit de important în contextul electromobilității.
Model de ton
A descrie bine starea actuală a unui sistem de stocare a energiei poate fi mai dificil decât pare la prima vedere. Potrivit [7], modelul barilului servește pentru a ilustra bine, deoarece descrie foarte bine din punct de vedere vizual cei mai importanți factori de influență în timpul utilizării și, în special, cei care se datorează proceselor de îmbătrânire (fig. 3). Modelul compară sistemul de stocare a energiei cu un butoi de ploaie, unde nivelul lichidului din butoi reprezintă starea actuală de încărcare. Volumul total în noua stare corespunde capacității maxime de 100%. În partea de jos a butoiului există o ieșire pentru "descărcare", iar în partea de sus o intrare pentru "încărcare". Diametrele limitate ale intrării și ieșirii ilustrează faptul că există o limită a vitezei la care butoaiele pot fi încărcate sau descărcate. Această limitare corespunde rezistenței interne a acumulatorului. Chiar și atunci când intrarea și ieșirea sunt închise, butoiul pierde lichid în timp, deoarece are găuri small și, prin urmare, nu este perfect etanș. Aceste pierderi reprezintă autodescărcarea unui acumulator. Îmbătrânirea acumulatorului este descrisă în continuare prin formarea de "pietre". Acestea reduc volumul utilizabil al butoiului și, prin urmare, capacitatea sistemului de stocare a energiei. De asemenea, butoiul ruginește în timp, crescând numărul de găuri small și, prin urmare, pierderile datorate "autodescărcării".
Cu ajutorul acestui model, prezentat în figura 3, pot fi descrise cele mai importante procese din funcționarea unui acumulator. Starea actuală a unui sistem de stocare a energiei este denumită și "stare de sănătate".
Pierderi în timpul încărcării și descărcării
Indiferent de starea bateriei, în timpul fiecărui proces de încărcare și descărcare au loc și pierderi energetice. Cu toții știm din proprie experiență că telefoanele mobile sau laptopurile se încălzesc în timpul funcționării intensive și, de asemenea, în timpul încărcării. Aceste evoluții termice reprezintă pierderi energetice, deoarece cantitățile de căldură eliberate în acest fel nu sunt disponibile pentru utilizarea efectivă prin sistemul de stocare a energiei.
Cu ajutorul senzorului din modulul Coin Cell al Calorimetru cu module multiple (MMC)Dispozitiv calorimetric multimodal constând dintr-o unitate de bază și module interschimbabile. Un modul este pregătit pentru calorimetria cu rată de accelerare (ARC), ARC-Module. Un al doilea este utilizat pentru testele de scanare (Scanning Module), iar al treilea și al patrulea sunt legate de testele pentru baterii și polimeri, testele farmaceutice pentru celulele monedelor (Coin Cell Module).MMC (figura 2), aceste pierderi de căldură pot fi detectate și cuantificate.
Controlul ciclurilor de încărcare și descărcare
Bateriile litiu-ion sunt foarte sensibile la supraîncărcare, deoarece aceasta poate duce cu ușurință la descompunerea electroliților. Prin urmare, metodele comune de încărcare limitează de obicei tensiunea maximă de încărcare la 4,2 V [7]. De asemenea, în această lucrare, ciclurile de încărcare și descărcare ale unei celule litiu-ion (LiR 2032) au fost limitate folosind o tensiune limită de 4,2 V pentru încărcare și 2,5 V pentru descărcare. Rezultă astfel ciclul prezentat ca exemplu în figura 4. După un ciclu de preîncărcare (care nu este prezentat aici), celula de tip monedă este încărcată la 25°C cu un curent constant de 45 mA până la o tensiune limită de 4,2 V 1 . În faza ulterioară de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare 2 , celula cu monede și senzorul revin la echilibrul termic. Faza de dicarjare 3 este limitată de tensiunea limită de 2,5 V și este urmată din nou de o fază de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare 4.
Semnalele de curent și tensiune sunt transferate de la unitatea de ciclism la software-ul de evaluare NETZSCH Proteus® , unde se calculează automat un semnal de putere. Pentru determinarea pierderilor în timpul încărcării și descărcării, puterea investită și căldura eliberată pot fi astfel determinate independent pentru fiecare ciclu parțial. În acest fel, este posibil să se indice ce proporție din energia investită a fost eliberată sub formă de căldură.
Figura 5 arată cum evaluarea pe suprafață a semnalului de flux termic al procesului de încărcare calculează automat energia investită (aici 411,6 J) și o pune în raport cu semnalul de flux termic măsurat (aici 11,12 J). Rezultă astfel o eficiență de 97,3 %. Pentru descărcarea ulterioară, eficiența se ridică la doar 89,9 % din cauza generării de căldură semnificativ mai mare.
Viteze diferite de încărcare și descărcare
În cazul în care ciclurile de încărcare și descărcare sunt efectuate la viteze diferite în conformitate cu criteriile de oprire menționate anterior, se poate observa că energia absorbită de sistemul de stocare a energiei și, astfel, desigur, cantitatea de energie disponibilă în timpul descărcării, depinde foarte mult de viteza respectivă (figura 6). Dacă celula identică (LiR 2032) este încărcată la 45 mA (C/1), sunt absorbiți 415 J, în timp ce la o rată de încărcare de C/8 (5,6 mA), sunt absorbiți aproape 550 J.
Temperatura la care acumulatorul este supus ciclurilor are, de asemenea, o influență asupra cantității de energie absorbită și asupra eficienței încărcării și descărcării. Figura 7 prezintă energiile absorbite de ciclurile de încărcare la diferite temperaturi.
Rezumat
Modulul MMC Coin Cell 274 Nexus® a fost utilizat pentru a studia o baterie reîncărcabilă LiR 2032 la diferite temperaturi și diferite viteze de încărcare în ceea ce privește căldura care apare. Pentru ciclurile de încărcare, au fost utilizate o tensiune limită superioară și una inferioară de 4,2 V și 2,5 V. Puterea furnizată acumulatorului de către unitatea de ciclism în timpul încărcării poate fi cuantificată din semnalele de curent și tensiune ale unității de ciclism. Căldura degajată în timpul acestui proces este măsurată în mod direct de senzorul modulului de celule cu monede. Raportul dintre puterea transferată acumulatorului și cantitatea de căldură eliberată permite determinarea independentă a eficienței proceselor de încărcare și descărcare. S-a demonstrat că atât puterea absorbită, cât și eficiența încărcării și descărcării respective depind puternic de ratele de încărcare și de temperatură.