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Prüflösungen für Lithium-Ionen Batteriezellen, Batteriemodule und Batteriepacks

Eine Lithium-Ionen Batteriezelle besteht aus unterschiedlichen Komponenten und Werkstoffen, die in den unterschiedlichen Funktionen einer Vielzahl von Belastungen ausgesetzt sind. Dabei kommen verschiedene Werkstoffe zum Einsatz. In der Produktion werden Materialien in den unterschiedlichen Fertigungsschritten mechanisch belastet und müssen auf solche Belastungen abgestimmt sein. Im Batteriebetrieb sind die verwendeten Werkstoffe elektrochemischen, thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. ZwickRoell bietet Prüflösungen für jede Anforderung.

Prüfanforderung

  • Eine Lithium-Ionen Batteriezelle besteht aus unterschiedlichen Komponenten und Werkstoffen, die in den unterschiedlichen Funktionen einer Vielzahl von Belastungen ausgesetzt sind.
  • Verschiedene Werkstoffe kommen zum Einsatz: unter anderem Elektrodenmaterial aus Aluminium- und Kupferfolie, Polymer-Separatoren (PE oder PP), Graphit- oder Titanat-Elektrodenbeschichtungen, Lithium-Metall-Oxid Beschichtungen, Gehäuse auf Aluminiumbasis (Feste Gehäuse oder laminierte Folien), etc.
  • In der Produktion werden Materialien in den unterschiedlichen Fertigungsschritten mechanisch belastet und müssen auf solche Belastungen abgestimmt sein. Im Batteriebetrieb sind die verwendeten Werkstoffe elektrochemischen, thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt.
  • So müssen z.B. Zugspannungen, Knickfestigkeit, Rissfestigkeit, Scherkräfte, Siegelnahtfestigkeit, Haftfestigkeit, Durchstoßfestigkeit, Elastizität, Temperaturspannung oder Druckfestigkeit ermittelt werden. Zusätzlich müssen einige Komponenten noch Funktionsprüfungen bestehen wie z.B. Scherkräfte an Terminals oder Durchstoßfestigkeiten von Sicherheitsventilen von prismatischen Zellen oder einfache Überprüfung der Festigkeit der  Schweißnähte von Ableitern.  Zudem muss eine Lithium-Ionen Zelle auch in ihrem Leistungszyklus verstanden werden und dabei spielt das Erfassen der mechanischen Zellverformung durch Aufblähen (Swelling) beim Ladevorgang eine wichtige Rolle für die Auslegung des Batteriezellen-Umfeldes. Weitere Herausforderungen sind: Temperaturbeständigkeit über einen breiten Temperaturbereich (-40 bis +120°C), Widerstand gegen Vibrationen, zyklische Belastungen sowie Alterungsprozessen durch elektrochemische Einflüsse.

ZwickRoell Prüflösung

  • Prüfungen werden je nach Anforderung mit universellen Prüfmaschinen im Kraftbereich von 1 bis 10 kN durchgeführt.
  • Wichtige Materialkennwerte, vor allem in der Zugprüfung, können durch leichte Ausrichtbarkeit und adaptierte pneumatische Probenhalter wiederholbar ermitteln werden. So können auch sehr dünne metallische und Kunststoff-Folien (<50µm) ohne Quetschen oder Knicken sicher gehalten werden.
  • Für die Messung hochgenauer Werkstoffeigenschaften, die vor allem in der Simulation verwendet werden kommen vor allem sehr genaue Kraft- und Verformungssensoren zum Einsatz. Speziell für sehr dünne Elektrodenfolien ist es bei der Ermittlung von Dehnungswerten wichtig, dass keine Beeinflussung des Prüflings durch berührende Längenänderungsaufnehmer erfolgt. Hierfür eignen sich berührungslose video- oder laserbasierte Längenänderungsaufnehmer der Reihe videoXtens oder laserXtens ideal.
  • Thermische Einflüsse können mit einer Temperierkammer in einem großen Temperaturbetreich von -80°C bis +250°C frei simuliert werden.
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  • Branchenbroschüre: Automotive PDF 4 MB

Elektrodenfolien

Die Prüfung von Elektrodenfolien für Lithium-Ionen-Batterien erfolgt im Zugversuch oder im Durchstoßversuch.
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Elektrodenbeschichtungen

Ermittlung der Haftfestigkeit zwischen Aktivmaterial-Beschichtungen und Elektroden (Al- oder Cu-Folie), der Härte/Steifigkeit/Kompressibilität der Aktivmaterial-Beschichtung, der Biegefestigkeit der Aktivmaterial-Beschichtung und des des Reibungskoeffizienten zwischen Zelllagen.
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Separatoren

Die Prüfung von Polymerseparatoren für Lithium-Ionen-Batterien erfolgt im Zugversuch oder im Durchstoßversuch.
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Festkörperbatterien

Mechanische Eigenschaften von Festkörperbatterien, z.B. Lithium Metall-Anode
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