Inledning
NETZSCH Multiple Module Calorimeter (Kalorimeter med multipla moduler (MMC)En kalorimeternhet med flera lägen som består av en basenhet och utbytbara moduler. En modul är förberedd för kalorimetri med accelererande hastighet (ARC), ARC-Modulen. En andra används för skanningstester (Scanning Module) och en tredje och fjärde för batteri- och polymertester samt farmaceutiska tester för myntceller (Coin Cell Module).MMC) 274 Nexus® (figur 1) erbjuder tre olika mätmoduler. Modulen Kalorimetri med accelererande hastighet (ARC)Metoden beskriver isotermiska och adiabatiska testförfaranden som används för att upptäcka termiskt exoterma nedbrytningsreaktioner.ARC® kan användas för så kallade Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search är ett mätläge som används i kalorimetrar enligt accelerating rate calorimetry (ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search är ett mätläge som används i kalorimetrar enligt accelerating rate calorimetry (ARC).HWS)-tester eller termiska runaway-tester [1][2]; Scanning-modulen lämpar sig för tillämpningar som utvärdering av endoterma eller exoterma FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar samt screening av termiska risker [3][4]; och Coin Cell-modulen är specialiserad för undersökning av batterier [5]. En extern battericykelenhet kan enkelt anslutas till Coin Cell Module via en LEMO-kontakt. Signaler för spänning och ström kan överföras till utvärderingsprogramvaran NETZSCH Proteus® . Den resulterande effektsignalen bestäms automatiskt och kan kvantifieras oberoende för laddning och urladdning. Genom att detektera värmeförlusten under laddning och urladdning är det möjligt att utvärdera effektiviteten i cyklingen av ett batteri. För detta ändamål erbjuder den dubbla provhållaren en DSC-liknande differentialuppställning (fig. 2).
Eftersom de flesta icke-destruktiva isotermiska laddnings- och urladdningsstudier på batterier utförs inom ett mycket small temperaturområde nära omgivningstemperaturen, är det viktigt att kalorimetern kalibreras i enlighet med detta. För temperatur- och känslighetskalibrering används vanligen metaller som referensmaterial [6].
Fastställande av batteristatus
När det gäller att använda ett energilagringssystem är dess aktuella "fyllnadsnivå" alltid intressant - oavsett om det gäller att utvärdera den återstående drifttiden för en mobiltelefon eller en bärbar dator, eller med avseende på räckvidden för ett elfordon. Även om laddningstiden för en mobiltelefon eller en bärbar dator spelar en ganska liten roll kan den vara särskilt viktig i samband med elektromobilitet.
Ton-modell
Att beskriva det aktuella tillståndet för ett energilagringssystem väl kan vara svårare än vad det först verkar. Enligt [7] är tonmodellen en bra illustration, eftersom den gör ett bra jobb med att visuellt beskriva de viktigaste påverkande faktorerna under användning och i synnerhet de som beror på åldringsprocesser (fig. 3). I modellen jämförs energilagringssystemet med en regntunna, där vätskenivån i tunnan representerar det aktuella laddningsläget. Den totala volymen i det nya tillståndet motsvarar den maximala kapaciteten på 100%. Längst ner i tunnan finns ett utlopp för "urladdning" och längst upp ett inlopp för "laddning". De begränsade diametrarna på inloppet och utloppet illustrerar att det finns en gräns för hur snabbt tunnorna kan laddas eller tömmas. Denna begränsning motsvaras av det inre motståndet i ackumulatorn. Även när inloppet och utloppet är stängda förlorar pipan vätska över tid eftersom den har small hål och därför inte är helt tät. Dessa förluster motsvarar självurladdningen hos en ackumulator. Ackumulatorns åldrande beskrivs vidare genom att det bildas "stenar". De minskar den användbara volymen i cylindern och därmed kapaciteten hos energilagringssystemet. Dessutom rostar tunnan med tiden, vilket ökar antalet small hål och därmed förlusterna på grund av "självurladdning".
Med denna modell, som visas i figur 3, kan de viktigaste processerna i driften av en ackumulator beskrivas. Det aktuella tillståndet för ett energilagringssystem kallas också för "state-of-health".
Förluster under laddning och urladdning
Oavsett batteriets status uppstår också energiförluster under varje laddnings- och urladdningsprocess. Vi vet alla av egen erfarenhet att mobiltelefoner eller bärbara datorer blir varma under intensiv drift och även under laddning. Denna värmeutveckling innebär energiförluster, eftersom de värmemängder som frigörs på detta sätt inte är tillgängliga för faktisk användning genom energilagringssystemet.
Med hjälp av sensorn i Kalorimeter med multipla moduler (MMC)En kalorimeternhet med flera lägen som består av en basenhet och utbytbara moduler. En modul är förberedd för kalorimetri med accelererande hastighet (ARC), ARC-Modulen. En andra används för skanningstester (Scanning Module) och en tredje och fjärde för batteri- och polymertester samt farmaceutiska tester för myntceller (Coin Cell Module).MMC:s Coin Cell Module (bild 2) kan dessa värmeförluster detekteras och kvantifieras.
Kontroll av laddnings- och urladdningscykler
Litiumjonbatterier är mycket känsliga för överladdning, eftersom det lätt kan leda till nedbrytning av elektrolyten. Därför begränsar vanliga laddningsmetoder vanligtvis den maximala laddningsspänningen till 4,2 V [7]. Även i detta arbete begränsades laddnings- och urladdningscyklerna för en litiumjoncell (LiR 2032) med hjälp av en gränsspänning på 4,2 V för laddning och 2,5 V för urladdning. Detta resulterar i den cykel som visas som ett exempel i figur 4. Efter en förladdningscykel (visas inte här) laddas myntcellen vid 25°C med en konstant ström på 45 mA upp till en gränsspänning på 4,2 V 1 . I den efterföljande relaxationsfasen 2 återgår myntcellen och sensorn till termisk jämvikt. Dicharging-fasen 3 begränsas av gränsspänningen på 2,5 V och följs återigen av en relaxationsfas 4.
Ström- och spänningssignalerna överförs från cykelenheten till utvärderingsprogramvaran NETZSCH Proteus® där en effektsignal automatiskt beräknas. För att bestämma förlusterna under laddning och urladdning kan den investerade effekten och den avgivna värmen bestämmas oberoende av varandra för varje delcykel. På så sätt kan man visa hur stor del av den investerade energin som avges som värme.
Figur 5 visar hur områdesutvärderingen av värmeflödessignalen för laddningsprocessen automatiskt beräknar den investerade energin (här 411,6 J) och ställer den i proportion till den uppmätta värmeflödessignalen (här 11,12 J). Detta resulterar i en verkningsgrad på 97,3%. För den efterföljande urladdningen uppgår verkningsgraden till endast 89,9% på grund av den betydligt högre värmeutvecklingen.
Olika laddnings- och urladdningshastigheter
Om laddnings- och urladdningscyklerna utförs med olika hastigheter enligt de tidigare nämnda avstängningskriterierna, kan man se att den energi som absorberas av energilagringssystemet, och därmed naturligtvis den mängd energi som är tillgänglig vid urladdning, beror mycket starkt på respektive hastighet (figur 6). Om den identiska cellen (LiR 2032) laddas med 45 mA (C/1) absorberas 415 J, medan nästan 550 J absorberas vid en laddningshastighet på C/8 (5,6 mA).
Temperaturen vid vilken ackumulatorn cyklas påverkar också mängden absorberad energi samt laddnings- och urladdningseffektiviteten. Figur 7 visar den absorberade energin i laddningscyklerna vid olika temperaturer.
Sammanfattning
Med hjälp av MMC Coin Cell Module 274 Nexus® undersöktes en laddningsbar LiR 2032-MyntcellsmodulEn kalorimetermodul som är en del av MMC (Multiple Module Calorimeter) och möjliggör skanning och isotermiska tester av kompletta mynt av varierande storlek. Den DSC-liknande tvillingdesignen ger en differentiell signal av värmesignaturen under en uppvärmningsramp eller laddning och urladdning av batterier.myntcell vid olika temperaturer och olika laddningshastigheter med avseende på den värme som uppstår. För laddningscyklerna användes en övre och nedre gränsspänning på 4,2 V respektive 2,5 V. Den effekt som cyklingenheten levererar till ackumulatorn under laddningen kan kvantifieras från cyklingenhetens ström- och spänningssignaler. Den värme som frigörs under denna process mäts direkt av sensorn i myntcellsmodulen. Förhållandet mellan den effekt som överförs till ackumulatorn och den mängd värme som frigörs gör att effektiviteten för laddnings- och urladdningsprocesserna kan bestämmas oberoende av varandra. Det har visat sig att både den absorberade effekten och laddnings- respektive urladdningseffektiviteten är starkt beroende av laddningshastigheten och temperaturen.