Элементы питания

Для развития производства самых различных типов элементов питания играет большую роль знания термических свойств, оценка безопасности и максимального срока эксплуатации. Главные технические требования, распространяющиеся на современные Элементы питания - это долгий режим работы без подзарядки, множество полных циклов зарядки и разрядки и сохранение запасенной электроэнергии. С помощью современных методов термоанализа и калориметрии можно выбрать и оптимизировать материалы для анода, катода, электролитов, разделителей и оптимизировать полностью ячейку элемента питания. Три компонента элемента питания (анод, катод, электролит) одновременно могут повлиять на термическую нестабильность элемента питания. Напряжение ячейки элемента питания дополнительно усиливает термическую неустойчивость. Метод калориметрии – это лучшее решение для проверки новых элементов питания, собранных из ячеек (например, ионно-литиевые), на термическую безопасность и эксплутационные характеристики. Реакционный калориметр позволяет не только проанализировать эффективность цикла жизни и работы элемента питания, но также тестировать в режимах с нарушением условий эксплуатации (короткое замыкание, перенапряжение, тесты на разрушение).

В итоге может быть проведен полный цикл анализа работоспособности новых элементов питания - от тестирования материалов батареи, проекта ячейки, тестов на разрушение, до рециркуляции.

NETZSCH - единственный поставщик решений для каждого из этих этапов.

В настоящее время на исследования в области производства батарей затрачивают колоссальные усилия.  Целью исследований является поиск новых материалов, которые обеспечат лучшие характеристики по энергии и плотности  мощности, наряду с более эффективным хранением энергии. Для производства и описания материалов, которые идут на производство анодов и катодов, сепараторов, электролитов, пограничных слоев требуются профессиональные приборы.

Вам могут быть интересны следующие возможности,  если вы разрабатываете или производите сырьевые материалы для производства батарей:

• Определение характеристик нано-, аморфно- и слабо-кристаллических материалов после переработки
• Получение представления о поведении и стабильности материалов в зависимости от температуры
• Химическая идентификация выделяющихся газов (при реакциях разложения и десорбции)
• Получение понимания о термической стабильности сырья батарей
• Получение данных о фазовых превращениях и построение фазовых диаграмм
• Получение данных о термических свойствах, требуемых программами по термическому моделированию ячеек и блоков

После выбора сырьевых материалов, при разработке электродов возникают вопросы связанные с их производством и использованием.  Компания NETZSCH предлагает полный набор приборов, которые позволяют определять характеристики электродов, сепараторов и электролитов.

Вам могут быть интересны следующие возможности,  если вы разрабатываете или производите компоненты батарей:

• Получение термомеханических свойств, таких как усадка и потеря массы во время спекания и термического расширения
• Определение теплопроводности электрода
• Измерение теплоемкости и теплопроводности электродов с одинаковой пористостью
• Улучшение термической стабильности катода
• Анализ термического поведения электрода под давлением
• Определение проблем несовместимости между компонентами
• Разработка квазиконтиниумных ( QC) методов для производства и масштабирования процессов до промышленных размеров

Для каждой области применения батарей с одной стороны существуют свои определенные ограничения, а с другой стороны — требования к производительности батарей. С точки зрения химии не существует идеальной батареи, одинаково подходящей для всех областей применения. Изменения конструкции компонентов могут быть вызваны, как изменением области применения, так и появлением новых технологий. Для хорошо разработанной системы термического управления,  в первую очередь, важны срок службы и производительность ячеек батареи. Так как батареи являются электрохимическими устройствами, то эти показатели зависят от температуры. Высокие температуры увеличивают число побочных реакций, что вызывает разложение границ раздела, а это приводит к сокращению срока службы и повышению издержек на замену. Разработка точно откалиброванных систем батарей основана на точных измерениях теплоты, генерируемой ячейками батареи во время полных циклов зарядка/разрядка, и при тестовом нагружении.

Вам могут быть интересны следующие возможности, если вы разрабатываете или производите ячейки батарей:

• Получение понимания о влиянии конструкции ячейки на производительность батареи
• Определение температуры при которой происходит высокоэкзотермическая реакция  в литий-ионной ячейке или ее компонентах
• Определение суммарной энергии, выделяющейся во время реакции, скорость реакции и уровни давления, возникающие в результате разложения образующегося газа
• Оценка вклада при вбивании гвоздя в батарею или при тестировании на разрушение  

При зарядке или разрядке батарей происходит соответственно выделение или поглощение тепла. Применение изотермической калориметрии и циклического нагружения батареи является разумным средством для определения теплового потока, а как следствие,  дает возможность охарактеризовать жизненный цикл батареи.  Каждый из следующих параметров оказывает существенное влияние на срок службы ячеек: температура, скорости зарядки/разрядки и степень разряжения. Благодаря калориметрическим измерениям все новые конструкции батарей (с применением новых материалов и/или нового расположения компонентов) можно оценить соответствующим образом. Реакционный калориметр (ARC) с 3D сенсором позволяет производить тестирование элементов питания в изотермическом режиме. В ходе измерений оператор находится в полной безопасности. Работа на реакционных калориметрах (ARC) экологически безопасна.

Вам могут быть интересны следующие возможности, если вы анализируете производительность батарей:

• Сбор точных данных о выделении (генерации) теплоты от модуля батарей
• Осуществление абсолютно безопасного теста по изотермической зарадке/разрядке (риска разрушения прибора нет)
• Определение происходит ли  снижение производительности от исходного значения?
• Получение количественных данных о производительности в зависимости от времени, для оценки эффектов старения и цикличности использования

Оценка изменений конструкции и электрохимической схемы, которые могут привести к улучшению модулей батарей

По окончании срока службы батареи собирают для восстановления, или повторного использования в более мягких условиях, или их разбирают, а каждый компонент перерабатывают отдельно.  Батареи встраиваются в сборку со следующими материалами: полимерами, оксидами и металлами. Поэтому термический анализ является незаменимым инструментом исследования перерабатываемых материалов.

Вам могут быть интересны следующие возможности, если вы занимаетесь переработкой батарей:  

• Оценка физической возможности разделения основных компонентов
• Оценка эффективности выделения различных компонентов, когда батарею разбирают на фрагменты
• Определение характеристик компонентов батареи после их разделения
• Определение характеристик нано-, аморфно- и слабо-кристаллических материалов после переработки
• Получение данных о стабильности поведения переработанных материалов в зависимости от температуры

Литий-ионные батареи обладают рядом преимуществ по сравнению с другими портативными элементами питания. Одной из основных задач производства  литий-ионных батарей остается повышение их безопасности.  Производителям необходимы инструменты, которые помогут в создании более безопасных батарей без снижения их производительности.

С помощью адиабатической калориметрии можно получать полезную информацию о безопасности батарей, например, применяя схему тестирования «наихудший сценарий» (создание и исследование термически неуправляемой реакции). В ходе этого эксперимента можно узнать температуру литий-ионных ячеек или их компонентов, при которой происходит  высоко-экзотермическая реакция, сопровождающаяся резким повышением давления. Используя изотермическую калориметрию, а именно схему «наихудшего сценария», можно напрямую получать информацию по термическому  управлению.

Вам могут быть интересны следующие возможности, если вы разрабатываете или производите материалы для батарей, конструируете элементы батарей и аккумуляторов:

• Исследование термического поведения батарей под нагрузкой и без нее
• Анализ давления, возникающего при взрыве ячейки аккумулятора в калориметре
• Определение температуры разложения отдельных компонентов, при котором происходит внутреннее короткое замыкание (КЗ)
• Определение химических и термических процессов, происходящих при появлении точек нагрева в ячейке при КЗ  
• Разработка новых конструкций ячеек с пониженным энергопотреблением и малой  вероятностью возникновения точек нагрева
• Проектирование, выбор или определение термической безопасности устройств (например, теплоотводов, УЗО, систем терморегулирования) по данным о температуре и давлении внутри ячейки в условиях термического разложения. Определение устойчивости этих устройств к последствиям аварийного выхода из строя.
• Классификация отдельных ячеек по потенциальным рискам и угрозам
• Проведение абсолютно безопасных тестов по изотермической зарядке/разрядке (риска разрушения прибора нет)
• Сокращение вероятности цепной реакции при выходе из строя ячейки по причине теплообмена между соединенными ячейками

Диоксид марганца (MnO₂) очень часто используется в химии в качестве окислителя, а также в производстве катодных материалов батарей. При нагревании MnO₂ потеря массы происходит в температурном интервале от 600°C до 950°C в две стадии. Первая стадия потери массы (9.20%) обусловлена восстановлением MnO2 в Mn2O3, вторая (3.07%) - в Mn₃O₄, что точно соответствует стехиометрическим значениям оксидов марганца. Каждая ступень потери массы четко сопровождается эндотермическими эффектами на ДСК кривой с энтальпиями 432 Дж/г и 180 Дж/г. Эндотермический эффект при 1201°C обусловлен обратимым структурным переходом Mn₃O<sub<4< id="mf214">. Этот переход также наблюдается при охлаждении при 1148°С (пунктирные линии) (измерение с STA 449 F1 Jupiter^®).

Может использоваться следующее оборудование:

1. STA 449 F1 Jupiter

Оксид лития-кобальта широко используется в катодах для литий-ионных аккумуляторов. Стабильность катодного материала является важным фактором при разработке более безопасных и высокопроизводительных аккумуляторных систем. В этом примере образец материала LiCoO2, лишенного лития, был извлечен из круглой ячейки и помещен в NETZSCH STA 449 F1 Jupiter®, соединенный с QMS 403 Aëolos Quadro для анализа. Катодный материал демонстрирует несколько дискретных стадий разложения при увеличении температуры. С помощью прикрепленного масс-спектрометра намного легче понять пути разложения и основную структуру катодного материала после циклирования.

При разработке нового ионно-литиевого элемента необходимо вместе проанализировать различные компоненты аккумулятора, чтобы определить химическую совместимость и вероятность термического разложения. Правильное измерение скорости реакции и термодинамики улучшается за счет отбора проб большего размера в таких случаях, когда реагируют несколько фаз.

На следующих графиках показаны реакции между различными электролитами и индивидуальным материалом анода. Эти адиабатические тесты, доступные в ARC 244/254 или MMC 274 Nexus®, показывают множество различных реакций, которые могут произойти. Начало реакции является важным критерием, но также важны скорости реакции при определении того, какие комбинации приведут к более безопасной батарее.

Это серия стандартных измерений HWS для получения информации о совместимости материалов аккумуляторных батарей

• Тип образца: монетоприемник LiR2032
• Изотермический режим с температурой 40 ° C
• Цикл зарядки / разрядки
• Постоянный ток Постоянное напряжение
• (CC-CV) - 40 мА от 4,2 В до 3,0 В

Данные показывают, что зарядка характеризуется короткой эндотермической реакцией, за которой следует небольшая экзотермическая реакция, в то время как разряд характеризуется длительной экзотермической реакцией. Циклы надежно повторяемы. Те же данные использовались для расчета эффективности элемента во время зарядки и разрядки.

Изотермическая зарядка / разрядка монетного элемента LiR2032

Зависимость мощности батареи, теплового потока и температуры от времени

Изотермическая калориметрия может поддержать конструкцию и производительность ячеек 18650. Используя датчик VariPhi 3D в ARC® 254, были проведены истинные изотермические испытания на литий-ионном элементе 18650. Тепло измеряется непосредственно с помощью этого метода, нет необходимости предполагать или рассчитывать теплоемкость. Синяя «базовая линия», показанная на диаграмме, представляет количество тепла, изотермически удерживающего ячейку при 50 ° C. Эндотермическое поведение, наивысшее в начале цикла заряда, можно рассматривать как мощность нагревателя выше базовой линии, экзотермическое поведение, как видно в циклах разряда, ниже базовой линии. Изотермические испытания показывают тепловую мощность в зависимости от времени, температуры и условий цикла. Эти данные можно использовать для расчета тепловых нагрузок и эффективности батареи.

18650 литий-ионный аккумулятор