Preskušanje baterije
Na elektrifikacijo prometnega sektorja pomembno vplivajo litij-ionske baterije. Raziskave in razvoj skupaj s celovitim zagotavljanjem kakovosti igrajo ključno vlogo pri nadaljnjem razvoju komponent baterijskih celic, baterijskih celic in baterijskih modulov ter celotnih visokonapetostnih sistemov za shranjevanje v proizvodnji. Preskušanje baterij za karakterizacijo uporabljenih materialov in ustvarjanje lastnosti vmesnih izdelkov sta ključna predpogoja za napredek.
Z našimi dolgoletnimi izkušnjami pri mehanskem preskušanju na področju elektromobilnosti vedno ponudimo pravo preskusno metodo vzdolž celotne vrednostne verige za vse razpoložljive različice baterij. Od surovin, celic in celičnih komponent do končne montaže v vozilu in recikliranja–ZwickRoell je vaš izkušen partner za celovito preskušanje baterij.
V tesnem sodelovanju z vodilnimi podjetji v panogi, znanstvenimi ustanovami in raziskovalnimi inštituti ponujamo široko paleto metod mehanskega preskušanja za baterije...
Natezno preskušanje Preskušanje z utrujanjem Upogibno preskušanje Tlačno preskušanje Preskusi odlepljanja/adhezije/trenja Polprevodniške baterije Posvetovanje in predpreskušanja Prenosi
...tako dobro, kot funkcijske in strukturne preskusne metode.
Glede na uporabo obstajajo različne vrste baterij s širokim razponom lastnosti. Najbolj znane: Litij-ionske baterije. Uporabljajo se v številnih elektronskih napravah in električnih vozilih (EV baterija, baterija za električna vozila). Obstaja tudi veliko število različnih celičnih kemij, ki se nenehno razvijajo. Kemija celic vodi do heterogenih lastnosti baterije, zato je natančna karakterizacija tudi mehansko pomembna. Formati celic, kot so cilindrične, prizmatične celice in celice v vrečkah, ponujajo vrsto prednosti in slabosti v smislu energijske gostote, prostorskih potreb in zmogljivosti. Izbira pravega tipa baterije in formata celice je torej vedno odvisna od posebnih zahtev posamezne aplikacije. Če povzamemo, lahko rečemo, da obstaja širok nabor različnih pristopov na področju razvoja in proizvodnje baterij. Zato je potrebna tudi razpoložljivost širokega nabora preskusnih metod.
Kako se proizvajajo baterije? V katerih primerih je mehansko preskušanje baterije pomembno?
- Vrednostna veriga litij-ionskih baterij se začne z rudarjenjem surovin, kot so litij, kobalt, nikelj in aluminij.
- Po obdelavi surovin se komponente celice, vključno z anodo, katodo in elektrolitom, izdelajo po zapletenem postopku. V tem procesu, to je izdelavi celičnih komponent, so preskusi pomembni za zagotavljanje kakovosti in zanesljivosti na eni strani ter za ustvarjanje dragocenih podatkov za večfizikalne simulacije z opredelitvijo lastnosti vmesnega izdelka na drugi strani.
- Baterijske celice se nato proizvedejo in sestavijo v visokonapetostne pomnilniške enote. Tudi tu igra mehansko preskušanje baterije odločilno vlogo, saj zagotavlja funkcionalnost in varnost baterije. Podatki se zbirajo za oceno obnašanja baterijskih celic in modulov med vsakodnevno uporabo.
Z našimi raznolikimi metodami preskušanja vzdolž vrednostne verige prispevamo k odgovorom na najpomembnejša vprašanja, ki jih postavljajo industrija in raziskovalne ustanove:
»Kako lahko standardiziramo svoje procese? Kako zmanjšamo stroške in hkrati povečamo proizvodnjo? Kako zagotovimo dosledne ravni visoke kakovosti in zanesljivosti? Kako znižamo stroške energije, materiala in surovin, da prispevamo k bolj trajnostnemu okolju?«
Aleksander Koprivc - Vodja poslovnega razvoja ZwickRoell Avtomobilska elektrifikacija
Tukaj smo in pripravljeni odgovoriti na vsa vaša vprašanja o preskušanju baterije.
Mehansko preskušanje baterij: folija, elektrode, separatorji in ohišje celic
Mehansko preskušanje baterij folij, elektrod, separatorjev in ohišij celic igra odločilno vlogo ne le pri zagotavljanju in nadaljnjem razvoju kakovosti in zmogljivosti, temveč tudi pri zagotavljanju nemotene proizvodnje. Natezni, tlačni, upogibni preskusi ter utrujanje in adhezija podpirajo realno karakterizacijo teh komponent baterije. Poleg tega pridobljeni podatki služijo kot osnova za multifizikalne simulacije. Ti se uporabljajo za numerično napovedovanje obnašanja baterije, na primer v primeru trka.
Preskusi natezne trdnosti baterijske folije in prevlečenih elektrod
Natezni preskusi na baterijski foliji in prevlečenih elektrodah določajo mehansko trdnost in raztezek.
Preskušanje baterijske folije postavlja visoke zahteve glede tehnologije preskušanja, zlasti pri majhnih debelinah filma < 10 µm, odvisno od področja uporabe. Zagotavljanje robustnih, ponovljivih, obnovljivih in zato zanesljivih rezultatov preskusa zahteva natančno ravnanje z vzorcem in zanesljiv prijem vzorca. Ključno vlogo pri natančnem določanju lastnosti materiala pri nateznem preskusu ima torej:
- Navpična poravnava vzorca
- Nežne tehnike prijemanja in
- Brezkontaktno določanje raztezanja z optičnimi ekstenziometri kot je ekstenziometer videoXtens
Rezalnik trakov za baterijsko folijo in film
Pripomoček za vstavljanje vzorca
Pnevmatske čeljusti
Videoposnetek: Preskus natezne trdnosti na baterijski foliji po DIN 50154 / ASTM E345
Standarde, kot sta DIN 50154 in ASTM E345 za natezne preskuse na tanki baterijski foliji in filmu (aluminijasta in bakrena folija, polimerni separatorji), je mogoče upoštevati v preskusnih zaporedjih, podprtih s programsko opremo za preskušanje testXpert podjetja ZwickRoell, ki zagotavlja delovanje v skladu s standardi.
Aktivno sodelovanje pri nadaljnjem razvoju standardov, zlasti za materiale za baterije, zagotavlja, da bodo preskusne metode ZwickRoell še naprej izpolnjevale vse prihodnje zahteve.
Natezni preskus na litijevi kovinski foliji
Posebni izzivi nastanejo pri preskušanju kovinske litijeve folije, saj je njihovo natezno trdnost mogoče določiti le v inertnem okolju. ZwickRoell ponuja posebne zaščitne plinske komore, imenovane predal za rokavice, ter možnosti priprave vzorcev in manipulacije v ta namen. Ti omogočajo natančno preskušanje pod nadzorovanimi pogoji za natančne rezultate.
Natezni preskus na ločevalni foliji
Ločevalna folija igra ključno vlogo v baterijskih celicah, saj električno izolira anodo in katodo ter hkrati omogoča pretok litijevih ionov. Učinkovitost, življenjska doba in varnost baterijskih celic so v veliki meri odvisne od delovanja teh separatorjev. Kar zadeva preskušanje, so glavne zahteve za separatorje pokrite z nateznimi preskusi v skladu z ISO 527-3 in ASTM D882 ter preskusi prebadanja v skladu z EN 14477, ASTM D5748 in ASTM F1306. Ti preskusi se izvajajo tudi v stanju, namočenem z elektrolitom, da se dosežejo realne mehanske lastnosti.
Dodaten pomemben vidik je obnašanje separatorja glede na koeficient trenja med prevleko elektrode in separatorjem. Te karakteristične vrednosti so še posebej pomembne za nastavitev proizvodnih parametrov v postopkih navijanja. ZwickRoell vam omogoča ne le izvajanje preskusov pri sobni temperaturi, ampak tudi pri delovnih temperaturah v območju od -20 °C do +50 °C, če dodate temperaturno komoro ZwickRoell. To zagotavlja celovito karakterizacijo ločilne folije v različnih pogojih.
Naš robotski preskusni sistem roboTest F, ki je bil zasnovan posebej za preskuse na trdnih vzorcih, je na voljo za avtomatizirane natezne preskuse na baterijski foliji in filmu ter prevlečenih elektrodah.
Bi radi izvedeli več o naših možnostih avtomatizacije za preskušanje baterijskih folij in filmov?
Z veseljem se bomo pogovorili o vaših potrebah.
Preskusi utrujanja na baterijski foliji
Baterijske folije iz bakra in aluminija delujejo kot zbiralniki toka v litij-ionskih baterijah in so izpostavljene različnim obremenitvam tako med proizvodnim procesom kot med samim delovanjem baterije.
- Med proizvodnim procesom lahko pride do napak na premazu, kot so razpoke ali neenakomerna porazdelitev. Čeprav lahko postopek kalandriranja ublaži takšne napake, jih ni mogoče popolnoma odpraviti.
- Pri baterijskem delovanju je folija izpostavljena toplotnim in mehanskim obremenitvam, kar lahko povzroči znake utrujanja. Poleg tega lahko kemične reakcije z elektroliti povzročijo korozijo, ki poslabša delovanje baterije.
Nujno je treba upoštevati, da so specifične obremenitve in pojavi utrujanja odvisni od številnih dejavnikov, vključno z zasnovo baterije in pogoji delovanja. Zato razvoj in optimizacija baterij vedno zahteva temeljito preskušanje in karakterizacijo folij in filmov baterij s preskušanjem utrujanja.
Z nizkimi preskusnimi silami elektrodinamičnega preskusnega stroja LTM je mogoče brez težav izvajati preskuse utrujanja na občutljivih vzorcih. LTM je opremljen s tehnologijo pogona brez olja. Linearni motor je izjemno tih in popolnoma primeren za uporabo v laboratoriju.
Da se baterijska folija ne poškoduje z robovi noža, se sprememba raztezka meri z optičnim video ekstenziometromr videoXtens dynamic.
Upogibni preskusi na prevlekah elektrod
Upogibno preskušanje za določanje upogibne trdnosti prevleke aktivnega materiala je izjemno pomembno za življenjsko dobo litij-ionskih baterij.
Aktivni material elektrod je sestavljen iz 50-100 µm debele prevleke, katere mehanske lastnosti se lahko zelo razlikujejo zaradi kemične sestave in proizvodnega procesa. To znanje je pomembno za definiranje optimalnih nastavitev proizvodnih parametrov, kot so pretočna hitrost, koti valjev in sile prednapetosti. Določanje upogibne trdnosti s kompletom za 2-točkovno upogibno preskušanje omogoča določitev največjega dovoljenega upogibnega kota in upogibnega radija, pri katerem prevleka ostane nedotaknjena in se ohrani stik med odvodno folijo in aktivnim materialom. Tukaj se je preskusni stroj zwickiLine s kompletom za 2-točkovno upogibno preskušanje in integriranim silomerom z visoko ločljivostjo izkazal za popolno rešitev.
Tlačno preskušanje za baterijsko folijo, aktivne materiale in prevlečene elektrode
Tlak, s katerim sta elektrodna in ločilna plast zložena, je ključnega pomena za učinkovit stik znotraj celice. Ta tlak bistveno vpliva na življenjsko dobo in delovanje celice.
ZwickRoell ponuja različne vrste tlačnega preskušanja za folijo baterije, aktivni material in prevlečene elektrode za natančno simulacijo in karakterizacijo teh pogojev dinamične obremenitve.
- Postopek kalandriranja ima ključno vlogo pri izdelavi elektrod za litij-ionske baterije. Na kovinsko folijo (baker za anodo, aluminij za katodo) se nanese pasta iz aktivne snovi, veziva in prevodnega dodatka. Prevlečeni film se stisne v tanek, enakomeren sloj z valji, ki delujejo pod pritiskom in temperaturo.
- Od tega koraka v procesu je v veliki meri odvisna gostota energije litij-ionskih baterijskih celic, ki pomembno vpliva na doseg vozil na električni pogon. Variacija procesnih spremenljivk omogoča optimizacijo sistemskih in materialnih parametrov.
- Meritve tlačne deformacije so zelo pomembne, saj pomagajo spremljati in nadzorovati kakovost in konsistenco elektrod. Te meritve zagotavljajo informacije o tem, kako dobro je aktivni material vdelan v elektrodo in ali lahko med delovanjem baterije pride do odklopa. Pomagajo tudi pri določanju optimalnega tlaka in temperature za postopek kalandriranja, da se doseže največja gostota energije in zmogljivost baterije.
Večnamenska analiza prevlečenih elektrod in prototipnih nizov celic (zvitki z želejem)
Pri preskušanju prevlečenih elektrod in skladov prototipnih celic je karakterizacija materialov in komponent pomembna za zagotovitev njihove učinkovitosti, zmogljivosti in dolgoročne življenjske dobe. Te značilne vrednosti so ključnega pomena za raziskave in razvoj ter namene zagotavljanja kakovosti.
ZwickRoell je zato razvil Multifunctional Cell Component Analyzer (MCCA). Z uporabo treh visoko natančnih merilnikov linearnega pomika in nivelirne naprave je mogoče natančno uporabiti pritisk na površino elektrode. To omogoča merjenje spremembe debeline elektrode pod realnimi tlačnimi pogoji. Istočasno se električni upor meri preko pozlačenih tlačnih plošč, kar omogoča oceno glede na tlak.
Med postopkom električnega polnjenja in praznjenja celica nabrekne in se skrči, kar je znano kot nabrekanje baterije. To povzroči spremembe v pritisku na posamezne komponente. Preskusna naprava MCCA vam omogoča izvajanje zelo natančnih preskusov nabrekanja baterije na prototipnih primarnih celicah, kot so na primer gumbaste celice, in pomaga natančno opredeliti obnašanje v ciklu polnjenja in praznjenja najmanjšega ponavljajočega se sklopa celičnih komponent v zvitku želeja.
Prednosti večnamenskega analizatorja celičnih komponent:
- Visoko natančno merjenje obnašanja napetosti in deformacije prevlečenih elektrod pod pritiskom
- Merjenje električnega upora kot funkcije tlaka
- Merjenje obnašanja baterije pri nabrekanju prototipnih primarnih celic (gumbastih celic)
Visoko natančno tlačno preskušanje v procesu prevleke elektrod
Velik izziv pri proizvodnji baterij je postopek prevleke elektrod. Za varno delovanje baterije je treba zagotoviti odlično mehansko stabilnost in predvidljivo staranje aktivnega materiala.
- Zato je pomembno izvesti podrobno analizo obnašanja baterijske folije in prevlečenih elektrod pod pritiskom. Instrumentirano nanovtiskovanje se uporablja za generiranje krivulj sila-premik, kar vam omogoča snemanje modula vdolbine kot del tlačnega preskušanja za izjemno tanke plasti. Ta proces zagotavlja bistvene podatke za razvoj materiala, zagotavljanje kakovosti in simulacijo baterije.
- Povezava med aktivnim materialom, gnojevko in folijo nosilca baterije je kritična za kakovost in učinkovitost. Za zagotovitev optimalnega oprijema je potrebno, da zrna aktivnega materiala predrejo film in ga čim manj deformirajo. ZwickRoell nanoindenter ZHN omogoča eksperimentalno raziskovanje te majhne deformacije, tako da se z opredelitvijo obnašanja folije doseže najboljši možni oprijem med nosilno folijo in aktivnim materialom.
Ugotavljanje obnašanja pri strjevanju ločilne folije
Materiali, uporabljeni za separatorsko folijo, se lahko strdijo pri cikličnih tlačnih obremenitvah. To vedenje nastavitve, ki povzroči spremembo debeline folije, včasih poslabša delovanje in življenjsko dobo baterije. Z univerzalnimi stroji za natezno tlačenje in posebnimi preskusnimi stojali za tlačno preskušanje, MCCA in nanoindenterja ZwickRoell podpira široko paleto preskusnih metod za karakterizacijo obnašanja pri strjevanju ločilne folije.
Preskusi odlepljanja in adhezije za baterije
Poleg vrednosti mehanskih lastnosti je zelo pomembna trdnost vezi eno- ali dvostranskih premazov na odvodni foliji, saj je ta povezava pomembna za notranjo prevodnost baterije. Ker se lahko s staranjem baterije spremeni tudi moč vezi, je pomembno zagotoviti, da je povezava dolgoročno zagotovljena. To je mogoče doseči z izvajanjem preskusov odlepljanja in adhezije. Ločitev aktivne snovi, ki jo nosi elektrolit, znatno poslabša varnost celice. Zato je preskušanje adhezijske trdnosti prevleke elektrode tako na anodi kot na katodi pomembno za spremljanje proizvodnje neposredno na proizvodni liniji celic.
Mehansko trdnost vezi med aktivnim materialom in substratom je mogoče določiti na različne načine:
Preskusi odlepljanja 90° in 180°
Najpogostejša metoda, ki se uporablja za določanje mehanske trdnosti vezi med aktivnim materialom in substratom, je preskus odpeljanja s kotom 90° ali 180°.
- Pri obeh različicah se prevlečena folija nanese na nosilni material (podlago), nato pa ga preskusni stroj odvleče pod določenim kotom odlepljanja.
- Metode niso standardizirane in jih je zato zelo težko primerjati.
- Pomembna kvalitativna ocena vrste okvare (kohezijska ali adhezijska napaka) je s to metodo mogoča le v omejenem obsegu.
- Druge slabosti tega preskusa so velika poraba materiala in dolgotrajna priprava vzorcev.
Adhezijsko preskušanje v smeri Z
Preskus adhezije v smeri Z je bolj zanesljiv in obnovljiv način določanja trdnosti spoja in ocenjevanja vrste okvare. Pet vzorcev je mogoče pripraviti hkrati v vpenjalu za natezno vez v Z-smeri. Preskusni stroj avtomatsko izvaja tudi definirane parametre kontaktnega pritiska in trajanja enako za vsak vzorec. Ta preskusna naprava pomaga zmanjšati vpliv operaterja na rezultate meritev v primerjavi s preskusi odlepljanja.
Vsak posamezen vzorec se nato povleče v smeri Z in določi se jasna največja vrednost trdnosti vezi. Poleg zelo učinkovite priprave vzorca in visoke natančnosti ponovitve vam ta metoda omogoča tudi določitev kohezijskih in adhezijskih komponent vzorca zloma. Dobra primerljivost rezultatov, doseženih s tem preskusnim postopkom, omogoča tudi zanesljivo spremljanje kakovosti premazov v proizvodnem procesu.
Preskusi trenja na prevlekah elektrod, odvodnih folijah in separatorjih
Določitev koeficienta trenja elektrodnih prevlek, odvodnih folij in separatorjev pri proizvodnji litij-ionskih baterij je velikega pomena pri prepoznavanju težav med proizvodnim procesom ter zagotavljanju kakovosti in zmogljivosti baterij.
Možni preskusi trenja vključujejo:
- Preskus adhezije premaza: preskuša se vez med različnimi plastmi v baterijski celici. Uporaba določene sile ali obremenitve vam omogoča, da ocenite nagnjenost plasti k ločevanju ali spajanju. Nastale sile, ki ločujejo plasti, vam nato pomagajo sklepati o koeficientih trenja.
- Preskus kontaktne sile in premika: Ti preskusi merijo silo, potrebno za premikanje ali ločevanje materialov z različnimi premazi ali površinami. To omogoča razumevanje obnašanja materialov pod pritiskom in kvantificiranje koeficienta trenja.
Karakterizacija komponent polprevodniške baterije
Z odpravo tekočega elektrolita v polprevodniških baterijah se pojavljajo novi izzivi, kot so stik z mejno plastjo, toplotno raztezanje in odpornost proti staranju. Za karakterizacijo komponent polprevodniške baterije ZwickRoell ponuja rešitve za široko paleto preskusnih metod, ki obravnavajo posebne zahteve polprevodniške baterije.
- Mehanska karakterizacija litijeve kovinske anode je lahko zahtevna. Priprava vzorca in določanje natezne trdnosti morata zaradi močne degradacije potekati v okolju inertnega plina. Poleg tega občutljiv, duktilen material zahteva izjemno previdno ravnanje v posebnih sponkah za vzorce in zanesljivo določanje osne deformacije z optičnim ekstenziometrom. ZwickRoell ponuja posebne zaščitne plinske komore (predal za rokavice), možnosti priprave in manipulacije vzorcev ter prilagojene optične ekstenziometre za brezkontaktno merjenje vzorcev.
- Drug izziv je določanje mehanskih lastnosti drugih komponent, kot je kompozitna katoda ali trdni separator elektrolitov. Prednosti teh komponent močno vplivajo na načrtovanje proizvodnih procesov in zanesljivo delovanje baterije. Nanoindenter ZHN se lahko uporablja za karakterizacijo elektrolitov v trdnem stanju iz polimerov, oksidov ali sulfidov z različnimi mehanskimi lastnostmi, da bi raziskali Youngov modul, trdoto, upogibno trdnost in lomno žilavost.
Funkcionalno in strukturno preskušanje baterije: Sestavni deli baterije, celice in celične povezave
Funkcionalno in strukturno preskušanje celic in celičnih povezav igra pomembno vlogo pri sestavljanju celic v module in pakete ter pri zanesljivosti delovanja baterij. Nabrekanje akumulatorja med postopkom polnjenja in praznjenja je določeno z visoko natančnimi preskusi nabrekanja, tako da ga je mogoče upoštevati v naslednjih korakih. Prevladujoči tlak v celici se preskuša s crush in upogibnim preskušanjem, vključno s preskusi zlorabe, kot je preskus vboda žeblja.
Preskus nabrekanja baterije: Karakterizacija obnašanja celice v ciklu polnjenja in praznjenja
Obnašanje baterijskih celic med postopkom polnjenja in praznjenja, zlasti širjenje celice, imenovano nabrekanje ali dihanje baterije, vpliva na delovanje in življenjsko dobo. Ta pojav je še posebej očiten pri prizmatičnih celicah in vrečkah ter polprevodniških baterijah. Razumevanje širitve cilindričnih celic pa postaja vedno bolj pomembno tudi pri razvoju novih generacij baterij.
Natančna karakterizacija tega vedenja pri sočasnem kaljenju je kritična. Pri montaži v modulu je potrebno upoštevati dihanje celice, saj raztezanje celic v modulu povzroči spremembo pritiska na celico. Ta tlak in temperatura pomembno vplivata na življenjsko dobo in delovanje celic. Zato je natančna karakterizacija celičnega dihanja in nabrekanja zelo pomembna. ZwickRoell ponuja različne pristope za karakterizacijo obnašanja celic v ciklu polnjenja in praznjenja, vključno z električno ciklizacijo, visokonatančnim merjenjem deformacij, dolgotrajnimi preskusnimi postopki in nadzorovano temperaturo.
- Nadzor temperature celotne baterije
Baterijska celica se segreje na želeno delovno temperaturo s pomočjo temperaturne komore, ki se v komori ohranja konstantna med trajanjem preskusa. Nadzor temelji na temperaturi okolja v temperaturni komori. Odvisno od tveganja je varnost med preskusom zagotovljena s temperaturno komoro ali proaktivno komoro z ustrezno stopnjo nevarnosti. - Natančen in homogen nadzor temperature celotne baterije
Z aktivnim segrevanjem in hlajenjem tlačnih plošč, je površinska temperatura baterijske celice homogeno temperirana in natančno nadzorovana od zgoraj in spodaj. Po drugi strani pa je možno izravnati tudi lokalna temperaturna nihanja znotraj baterijske celice. Kritične temperature na primer pri visokih izpustnih tokovih se tako preprečijo in zagotovljeno je zanesljivo preskušanje.
Ta vrsta preskušanja je bila razvita v sodelovanju z MBTS. Članek je zdaj preučil vpliv različnih temperatur, tlakov in stopenj praznjenja na električne lastnosti standardizirane celice litij-ionske baterije za uporabo v avtomobilih.
Povezava do članka
Obsežno znanje in izkušnje pri preskušanju materialov, dostop do vseh visoko natančnih preskusnih strojev in celotne ponudbe dodatkov v našem preskusnem centru za baterije ZwickRoell so vam na voljo za posvetovanje o tehnologiji uporabe.
Vas zanima brezplačno predpreskušanje v našem centru za preskušanje baterij? Z veseljem vam pomagamo pri izbiri ustrezne preskusne opreme za vaše potrebe.