Teknologi för att se hur ett batteri andas - Hur mätning av yttrycksfördelning förbättrar batteriprestanda och säkerhet

Full text

(1)

I-Scan Test, yttrycksmätning mätning sker genom att de 0,1 mm tunna givarna placeras mellan underlaget och det tryckande objektet.

2022-03-17 10:10 CET

Teknologi för att se hur ett batteri andas - Hur mätning av yttrycksfördelning

förbättrar batteriprestanda och säkerhet

Många som är bekanta med uppbyggnaden av ett prismatiskt litiumjonbatteri kommer säga att batteriet andas. Laddning och urladdning orsakar

förändringar av de interna komponenternas temperatur, elektrokemi och mekanik vilket i sin tur påverkar de inre trycken. Med tiden kan dessa tryck ha en dramatisk inverkan på batteriets livslängd. Eftersom tillverkare strävar efter att skapa en produkt som är effektiv, lätt och säker så är det absolut

(2)

nödvändigt att designers noggrant förstår dessa egenskaper.

Användare över hela marknadssegmentet efterfrågar batterier som är mindre, lättare och snabbare att ladda. Det finns också krav på att batterierna ska vara säkra samtidigt som de får en allt högre energitäthet. Dessa funktioner kan ofta stå i konflikt med varandra så det kan vara en tuff utmaning i att hitta en balans och samtidigt förbli kostnadsmässigt konkurrenskraftig.

När man överväger material och konstruktion av ett batteri är det avgörande att utvärdera tryckdynamiken för att bibehålla materialavstånd, kontrollera gasning och förhindra överdriven svällning.

VAD ÄR YTTRYCKSFÖRDELNING?

(3)

Även mellan relativt plana ytor finner man ofta att tryckfördelningen inte är enhetlig med topptrycket inom uppmätta lokaliserade områden. Teknologin för yttrycksfördelning hjälper designingenjörer att få insikt i vilka områden som kan påverka design och kvalitet.

Ett system för yttrycksfördelning kräver 3 komponenter – sensorer,

skanningselektronik och mjukvara – för att kunna leverera realtidsdata som kan användas på sätt som andra metoder inte klarar av.

Sensorer omvandlar tryckbelastningar till förändringar i resistansen.

Skanningselektroniken samlar in analog mätdata från sensorerna och omvandlar mätdatan till digitala signaler.

Mjukvaran visar sensorområdets digitala signaler i realtid, så att

(4)

användaren kan se kraft, tryck, kontaktyta och tidsdata.

Många tillverkare gör betydande ansträngningar för att upprätthålla konstant stapelkonstruktion under själva tillverkningsprocessen men flertalet validerar inte stapeltrycket som en del av deras kvalitetsprocedur. Dessutom är det många som inte kvantifierar de interna påfrestningarna på batteristacken eftersom batteriet laddas upp och laddas ur.

I en studie¹ från Princeton universitetet 2013 fann forskare att höga stacktryck hade "en stark effekt på cellprestanda på lång sikt med högre stressnivåer som leder till högre kapacitetsförsämring." Betydande inre tryck visade sig orsaka plastisk deformation, delaminering och inre

impedansökningar när anoden och katoden separerades. Medan lägre stapeltryck gav bättre långsiktig prestanda kunde delaminering fortfarande inträffa om trycket blev för lågt.

Utmaningen blir då att hitta rätt "träffbild" för trycket i kapslingen. En lastcellsfixtur kan karakterisera medeltrycket vid monteringen av

batterienheten som visas i diagrammet till höger. Även om denna studie var framgångsrik när det gäller att mäta medeltryck i återkommande testningar så ger tekniken med yttrycksfördelning ingenjörer en bättre möjlighet att få större insikt i applikationen och identifiera specifika tryckområden.

(5)

Yttrycksfördelning har använts i flera månaders studier för att utvärdera tryckprofilen under tusentals laddnings- och urladdningscykler - principer som kan tillämpas för att utvärdera material för batterihöljen.

Den tunna och flexibla uppsättningen av sensorselement ger omfattande data om de olika trycken mellan nästan vilka två ytor som helst. I fallet med cyklisk batteriladdnings-/urladdningstestning som visas till höger kan en 0,01 mm tjock sensor lindas runt batteriet för att ge en 360˚ vy av batteriet.

Denna testmetod på så kallade solid state- litiumjonbatterier blir allt

viktigare. Solid state-batterier är mycket tilltalande av säkerhetsskäl då deras sammansättning gör dem mindre flyktiga och känsliga för brand än flytande litiumjonbatterier. Den ultimata förhoppningen är att de också ska hålla

(6)

längre och ladda snabbare. Deras inneboende mekaniska egenskaper innebär dock vissa utmaningar. Den stela elektrolyten genererar en ojämn

tryckfördelning. Som i sin tur kan skapa ett koncentrerat högre tryck vilket kan leda till sprickbildning i materialet som minskar batterieffektiviteten.

På grund av den extrema volymexpansionen av kisel-/kolmaterial så är de sårbara för delaminering. Delaminering leder till att kapaciteten sjunker under användning. Ett tillvägagångssätt för att mildra dessa effekter är applicering av mekaniskt tryck på battericellen. En studie från 2019

publicerad i Journal of the Electrical Chemical Society² användes sensorer för yttrycksfördelning och mjukvara som ett visuellt verktyg och ett sätt att samla in data över tid för att avslöja områden (hot spots) vid olika

tryckapplikationer. Testteamet använde dessa data för att identifiera optimala mekaniska tryck som syftade till att bevara batteriets livslängd.

Varje bransch kan dra nytta av framsteg och förbättringar av batteriteknik och prestanda. Elfordonsmarknaden investerar särskilt mycket i att använda

yttrycksfördelning som ett verktyg för att kvantifiera och förstå batteridynamik i ett flertal applikationer.

Yttrycksfördelning är ett integrerat verktyg för batteritillämpningar av elfordon

Forskning och utveckling

(7)

Optimera batteridesign för att möta prestandabehov Livstidstestning

Mäta tryckförändringar under långa tidsperioder av laddnings- och urladdningscykler

Hållbarhetstestning

Karakterisera vibrationsrespons och yttre påverkan Kvalitetskontroll

Validera korrekt stacktryck för framtagning av kvalitetsuppgifter SLUTSATS:

Teknologin för yttrycksfördelning blir en viktig metod för att hjälpa

ingenjörer att identifiera områden med lokalt tryck vid praktiskt taget vilken position som helst i en prismatisk battericell. Detta leder till bättre

designbeslut, mer hållbar teknik och en tydlig fördel gentemot konkurrenterna.

Teknologin används också för att utvärdera kapslingsdesign och identifiera sårbara platser på ett batteri i olika påverkanstester.

Medan designingenjörer försöker optimera egenskaperna som beskrivs i detta dokument måste de samtidigt se till att aldrig kompromissa om säkerheten för sina produkter. Temperaturökningarna under laddning kan leda till en elektrokemisk process (lithiation) eller mekaniska påfrestningar i höljet. Detta oönskade beteende kan generera mekaniska separationer eller mikrosprickor som minskar kapaciteten. I mer dramatiska fall kan dessa fel orsaka gasning som leder till kraftiga termiska reaktioner.

Med yttrycksfördelning får forskare och ingenjörer ett värdefullt

utvärderingsverktyg för batteridesign som ger viktiga insikter om effekterna av olika användningsparametrar. Dessa studier har hjälpt designers att hitta rätt material och konstruktion för deras behov vilket lett till bättre design med repeterbara resultat.

CITATIONER:

(1) Cannarella, J., Arnold, C., “Stress Evolution and Capacity Fade in

Constrained Lithium-Ion Pouch Cells” Journal of Power Sources. 245 (2014) 745-75

(8)

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.06.165

(2) Verena Müller et al 2019 J. Electrochem. Soc. 166 A3796 https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.1121915jes

Se YouTube-videon här

Internationellt är vi ett världsomspännande nätverk av 10 dotterbolag med 1000 anställda. Våra varumärken är Chauvin-Arnoux, Metrix, CA Energy, Pyro- Côntrole och Multimetrix. Naturligtvis är vi ISO9001 och ISO14001

certifierade.  Vi kalibrerar även kraftinstrument och elektriska mätinstrument, både spårbart och ackrediterat.

Se mer om oss på vår hemsida www.chauvin-arnoux.se

Figur

Updating...

Relaterade ämnen :