Libérer le potentiel de l’analyse des batteries – applications des batteries

Maximiser l’efficacité et la sécurité des batteries

Dans un monde de plus en plus caractérisé par la dépendance énergétique, les batteries jouent un rôle crucial dans un avenir durable. Nos outils analytiques précis sont conçus pour améliorer l’efficacité et la sécurité des batteries tout en prolongeant leur durée de vie.

Les technologies avancées visent à repousser les limites de ce qui est possible en matière d’analyse des batteries tout en contribuant à un monde plus vert. L’objectif est d’explorer comment les batteries peuvent être plus performantes, durer plus longtemps et être plus sûres.

Avancées technologiques et avantages liés au développement des batteries de voitures et de téléphones portables

Introduction à la chimie cellulaire des batteries

La chimie cellulaire est le principe fondamental qui sous-tend le fonctionnement et les caractéristiques de performance des batteries. Elle comprend une interaction complexe de processus électrochimiques et de sciences des matériaux qui constituent la base du stockage et de la libération de l’énergie.

Dans cette interaction, les principaux composants d’une batterie – cathode, anode, électrolyte et séparateur – agissent d’une manière finement ajustée pour stocker et libérer efficacement l’énergie électrique.

La cathode et l’anode, les contreparties électrochimiques d’une cellule de batterie, déterminent des paramètres clés tels que la tension de la cellule, la capacité énergétique et la stabilité du cycle grâce à leurs propriétés d’oxydoréduction qui dépendent du matériau.

Les matériaux de la cathode, tels que les oxydes de lithium et de cobalt ou le phosphate de lithium et de fer, et les matériaux de l’anode, notamment les composites à base de graphite et de silicium, font l’objet de recherches intensives afin d’obtenir des propriétés optimales en termes d’efficacité énergétique et de densité.

L’électrolyte, un composant essentiel pour le transfert d’ions entre la cathode et l’anode, influence considérablement la dynamique des ions et donc la performance globale de la batterie.

Le développement d’électrolytes innovants qui assurent un transfert d’ions efficace tout en augmentant la stabilité thermique et chimique de la batterie est un domaine de recherche central.

Cela comprend l’étude de formulations d’électrolytes liquides et solides. Le séparateur, une couche microporeuse qui sépare spatialement la cathode et l’anode, est essentiel pour éviter les courts-circuits internes.

Sa perméabilité et son intégrité mécanique sont cruciales pour la sécurité et la longévité de la batterie. Une conception avancée du séparateur permet d’améliorer la diffusion des ions et de minimiser le risque de déstabilisation thermique.

Les dernières approches de recherche en matière de technologie des batteries, telles que le développement d’électrolytes solides et de batteries au lithium-soufre, visent à repousser les limites des technologies lithium-ion conventionnelles.

Contrairement aux batteries lithium-ion classiques, qui utilisent des électrolytes liquides, les électrolytes solides sont constitués d’un matériau solide qui peut encore conduire les ions.

Ces électrolytes solides éliminent de nombreux inconvénients des électrolytes liquides, tels que le risque de fuite ou d’inflammabilité.

Les avantages des électrolytes à l’état solide incluent :

1. Augmentation de la densité énergétique : En utilisant des électrolytes à l’état solide, la batterie peut stocker plus d’énergie dans un espace plus petit, ce qui se traduit par une densité énergétique plus élevée.

2. Amélioration de la sécurité : Les électrolytes à l’état solide sont généralement non inflammables, réduisant ainsi le risque d’incendies de batterie et d’emballement thermique.

3. Durée de vie prolongée : Les électrolytes à l’état solide sont moins sujets à la dégradation au fil du temps, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie.

4. Temps de charge plus rapides : Certains électrolytes à l’état solide permettent un mouvement ionique plus rapide, ce qui peut se traduire par des temps de charge de batterie plus courts.

Les électrolytes à l’état solide en sont encore largement à la phase de recherche et de développement, mais ils ont le potentiel d’améliorer considérablement les performances et la sécurité des batteries et de repousser les limites des technologies lithium-ion actuelles.

En résumé, la chimie des cellules est un élément clé dans le développement des technologies de batteries avancées. La recherche continue et l’optimisation des processus électrochimiques et des interactions entre les matériaux à l’intérieur de la cellule de la batterie sont cruciales pour la réalisation de solutions de stockage d’énergie plus puissantes, plus sûres et plus durables.

Introduction à la chimie cellulaire des batteries

Les performances et la sécurité des batteries lithium-ion dépendent significativement de la qualité et des propriétés de leurs composants matériels. Par conséquent, la caractérisation précise de ces composants est cruciale pour rendre les batteries plus efficaces, durables et sûres.

Dans ce processus d’optimisation, les dispositifs de mesure avancés jouent un rôle clé. Le cathode, l’anode, le séparateur et l’électrolyte peuvent être examinés précisément en utilisant le vaste portefeuille de produits LINSEIS et des dispositifs tels que le DSC, calorimètre, ou en couplant avec un spectromètre de masse pour obtenir des informations détaillées sur les processus survenant pendant la charge et la décharge des matériaux de stockage.

Cette compréhension détaillée permet une optimisation ciblée de ces composants, améliorant ainsi significativement l’efficacité, la durée de vie et la sécurité des batteries.

Cathode : Dans les batteries, la cathode joue un rôle central car elle détermine directement la capacité énergétique et donc les performances de la batterie. C’est l’électrode positive de la batterie et c’est là que les ions sont absorbés lors du processus de décharge, ce qui entraîne la libération d’énergie.

• Composition du Matériau : Les cathodes modernes se composent de divers composés tels que l’oxyde de lithium-cobalt (LiCoO₂), le phosphate de lithium-fer (LiFePO₄), l’oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt (NMC), et autres.

• Structure Cristalline : La structure cristalline du matériau de la cathode joue un rôle crucial dans les performances de la batterie. Elle influence la mobilité des ions à l’intérieur du matériau et donc le taux de charge et de décharge.

• Stabilité Électrochimique : La stabilité électrochimique de la cathode est cruciale pour la durée de vie de la batterie. Les matériaux avec une haute stabilité électrochimique sont moins sujets aux réactions qui dégradent la capacité pendant le cycle de charge/décharge.

• Chimie de Surface : La chimie de surface du matériau de la cathode peut influencer son interaction avec l’électrolyte, affectant ainsi les performances et la stabilité de la batterie. L’optimisation de la chimie de surface peut contribuer à améliorer la densité énergétique et la durée de vie du cycle.

• Conductivité Thermique : La conductivité thermique de la cathode dans les batteries est cruciale pour la gestion thermique afin d’éviter la surchauffe et les risques potentiels pour la sécurité. Une haute conductivité thermique permet une dissipation efficace de la chaleur générée pendant le fonctionnement, stabilisant la température et évitant l’augmentation incontrôlée de la température, comme le dérèglement thermique. Par conséquent, choisir des matériaux et des structures de cathode avec une bonne conductivité thermique est crucial pour les performances et la sécurité des systèmes de batteries.

Exemple – Analyse TGA du phosphate de fer lithium (LiFePO₄) pour la caractérisation de la cathode :

Un exemple notable de l’application de la TGA est l’étude du phosphate de fer lithium (LiFePO₄), un matériau de cathode largement utilisé dans les batteries lithium-ion.

Le LiFePO₄ est connu pour sa haute stabilité thermique et sa sécurité. Pendant l’analyse TGA, un échantillon de LiFePO₄ est chauffé progressivement pour évaluer sa stabilité thermique et sa composition.

Tout au long du processus de chauffage, les changements de poids de l’échantillon sont mesurés avec précision pour obtenir des informations sur les processus de décomposition thermique. Ces données sont cruciales pour comprendre les propriétés thermiques du matériau, ce qui est significatif pour des applications dans des domaines tels que l’électromobilité ou le stockage d’énergie stationnaire.

Les résultats de la TGA fournissent des informations précieuses sur la stabilité du matériau de la cathode dans des conditions de fonctionnement. Par exemple, l’analyse des températures de décomposition du LiFePO₄ peut fournir des informations sur la durée de vie de la batterie et sa sécurité dans différentes conditions de fonctionnement.

Cela permet une optimisation ciblée de la composition du matériau et de la conception de la cellule pour améliorer les performances globales et la sécurité de la batterie. La caractérisation précise des matériaux de cathode par analyse thermogravimétrique est donc une étape indispensable pour améliorer les performances et la sécurité des batteries lithium-ion. De telles analyses contribuent significativement à l’avancement et à l’optimisation de cette technologie clé.

Anode : Dans les batteries, l’anode sert de pôle négatif et est crucial pour la vitesse de charge et la capacité de la batterie. Pendant le processus de charge, les ions de la cathode sont stockés dans l’anode, qui joue un rôle clé dans le stockage et la libération de ces ions.

• Sélection des matériaux : Traditionnellement, le graphite est utilisé comme matériau d’anode en raison de sa capacité à stocker efficacement les ions. Cependant, des recherches récentes explorent des matériaux alternatifs tels que le silicium, le titanate de lithium et divers nanomatériaux de carbone, qui peuvent offrir une capacité et une vitesse de charge plus élevées.

• Structure de surface et porosité : La microstructure et la porosité des matériaux d’anode sont cruciales pour le stockage d’ions. Une structure optimisée permet une mobilité ionique efficace et contribue à une capacité de charge plus élevée.

• Stabilité électrochimique : La stabilité des matériaux d’anode pendant les cycles de charge/décharge est essentielle pour la durée de vie de la batterie. Les matériaux résistants à la dégradation électrochimique améliorent la durée de vie du cycle de la batterie.

• Interaction avec l’électrolyte : L’interaction chimique entre le matériau d’anode et l’électrolyte influence les performances de la batterie. Une compatibilité optimale réduit les réactions secondaires indésirables pouvant entraîner une perte de capacité.

Exemple – Analyse STA des Matériaux d’Anode en Graphite :

Un exemple concret de l’application de l’analyse STA est l’investigation des matériaux d’anode en graphite. Le graphite est couramment utilisé dans les batteries lithium-ion et est connu pour sa capacité à stocker efficacement les ions lithium.

Pendant la STA, le matériau d’anode en graphite est soumis simultanément à une analyse thermique différentielle (DTA) et à une analyse thermogravimétrique (ATG). Cette analyse combinée fournit des informations précieuses sur les réactions thermiques et de masse du matériau lors du chauffage.

La composante DTA mesure le flux de chaleur pour identifier les événements endothermiques et exothermiques, tandis que la TGA enregistre la perte de poids du matériau, permettant de tirer des conclusions sur les températures et les processus de décomposition.

Grâce à cette analyse complète, des informations critiques sur la stabilité du matériau d’anode dans différentes conditions de fonctionnement peuvent être obtenues. Par exemple, l’identification de la température à laquelle le graphite commence à s’oxyder permet d’optimiser le système de gestion de la batterie pour éviter la surchauffe et augmenter la durée de vie de la batterie.

De plus, des informations sur la stabilité structurelle du matériau et son impact sur la durée de vie du cycle peuvent être obtenues en examinant l’expansion et la contraction thermiques du graphite pendant l’intercalation des ions lithium.

L’intercalation des ions lithium dans le matériau d’anode en graphite est un processus où le lithium est inséré entre les couches de graphite, entraînant un changement de volume. Ce changement de volume peut être déterminé précisément à l’aide de la dilatométrie, une méthode permettant de mesurer le changement de longueur des matériaux en fonction de la température.

Un dilatomètre est le dispositif qui capture l’expansion et la contraction thermiques du graphite pendant l’intercalation du lithium, fournissant des informations sur la stabilité structurelle du matériau d’anode.

L’utilisation de l’analyse thermique simultanée pour l’investigation des matériaux d’anode est également une étape essentielle pour augmenter l’efficacité et la durée de vie des batteries lithium-ion.

Ces analyses approfondies sont cruciales pour développer des matériaux optimisés répondant aux exigences des technologies de batterie modernes.

Séparateur : Dans les batteries, le séparateur joue un rôle crucial en matière de sécurité, notamment en ce qui concerne le risque de courts-circuits et de surchauffe thermique. Il s’agit d’une membrane microporeuse placée entre la cathode et l’anode pour empêcher tout contact direct et ainsi les courts-circuits électriques entre les électrodes. En même temps, il permet le flux d’ions entre la cathode et l’anode pendant les cycles de charge et de décharge.

• Perméabilité aux ions : Le séparateur doit avoir une perméabilité élevée aux ions pour permettre un transfert efficace des ions. C’est crucial pour les performances globales de la batterie.

• Stabilité thermique et mécanique : Le séparateur doit être thermiquement et mécaniquement stable dans les conditions de fonctionnement de la batterie. Une stabilité thermique inadéquate peut entraîner la fusion du séparateur et provoquer un court-circuit, ce qui représente un risque de sécurité important.

• Revêtements céramiques : Les séparateurs modernes sont souvent revêtus de particules céramiques pour améliorer leur stabilité thermique. Ces revêtements augmentent l’intégrité de fusion et la robustesse mécanique du séparateur, en particulier à haute température, améliorant ainsi considérablement la sécurité de la batterie. L’intégrité de fusion d’un séparateur de batterie peut être caractérisée à l’aide d’un analyseur thermomécanique (TMA) pour s’assurer que le séparateur ne se rompt pas mécaniquement ou ne se déchire pas, ce qui pourrait entraîner une surchauffe thermique de la batterie.

• Méthodes d’analyse : Pour évaluer les propriétés du séparateur, une méthode de mesure électromécanique est utilisée. Ces méthodes peuvent fournir des informations sur le changement de taille du séparateur dans diverses conditions de fonctionnement et sur la température à laquelle le séparateur commence à échouer.

• Rôle dans la prévention de la surchauffe thermique : Un séparateur efficace et sûr est crucial pour minimiser le risque de surchauffe thermique. Il doit maintenir des propriétés de barrière adéquates même lorsque la batterie est exposée à des températures extrêmes.

Exemple – Mesure TMA de membranes de séparateur revêtues :
Un exemple pertinent de l’application de l’analyse thermomécanique (TMA) est l’étude de membranes de séparateur revêtues de particules céramiques. Ce revêtement peut améliorer considérablement la sécurité des batteries en renforçant l’intégrité de fusion et la robustesse mécanique du séparateur au-dessus de son point de fusion.

Lors de l’analyse thermomécanique (TMA) des séparateurs de batterie, l’accent est principalement mis sur la mesure de la réponse physique du matériau aux changements induits par la température. Les paramètres principaux mesurés incluent l’expansion ou la contraction (déformation ou rétrécissement) du matériau du séparateur en fonction de la température.

La mesure TMA comprend les aspects suivants :

1. Mesure des coefficients d’expansion : Le TMA mesure comment la membrane du séparateur change physiquement dans des conditions de température contrôlées. Cela inclut l’expansion ou la contraction linéaire du matériau avec les changements de température, fournissant des informations sur les coefficients de dilatation thermique.

2. Évaluation de l’intégrité mécanique : Mesurer la déformation ou le rétrécissement du séparateur à différentes températures permet d’évaluer son intégrité mécanique. Cela est crucial pour comprendre comment le séparateur réagit dans les conditions thermiques de fonctionnement de la batterie.

3. Détermination du point de fusion : En plus de l’expansion, le TMA peut également être utilisé pour déterminer le point de fusion du matériau du séparateur. Le point de fusion est une température critique à laquelle le séparateur commence à perdre son intégrité structurale, ce qui pose des risques pour la sécurité.

Électrolyte : Dans les batteries, l’électrolyte est un composant clé essentiel pour le transport des ions entre la cathode et l’anode. Dans le scénario le plus courant, il se compose d’une solution de sel de lithium dans un solvant organique, facilitant le mouvement des ions lithium pendant les processus de charge et de décharge de la batterie.

• Conductivité ionique : La conductivité de l’électrolyte est cruciale pour l’efficacité du transfert ionique entre les électrodes. Une conductivité ionique élevée permet une charge et une décharge rapides de la batterie, améliorant ainsi les performances globales.

• Composition chimique : La composition chimique de l’électrolyte, en particulier le type de sel de lithium et de solvant, influence les propriétés électrochimiques de la batterie. Le choix des composants affecte directement des facteurs tels que la tension de fonctionnement, la stabilité thermique et la sécurité de la batterie.

• Stabilité électrochimique : L’électrolyte doit être électrochimiquement stable pour éviter la décomposition aux tensions de fonctionnement de la batterie. Une composition d’électrolyte instable peut entraîner des réactions secondaires indésirables qui affectent les performances et la durée de vie de la batterie.

• Interaction avec les matériaux d’électrode : L’interaction de l’électrolyte avec les matériaux d’électrode est cruciale pour la stabilité à long terme de la batterie. Une interaction optimale minimise la formation de couches superficielles nocives sur les électrodes, connues sous le nom d’« interface solide-électrolyte » (SEI).

• Stabilité thermique : La stabilité thermique d’un électrolyte de batterie est un facteur critique qui influence significativement la sécurité opérationnelle et les performances de la batterie. La haute stabilité thermique de l’électrolyte garantit que même sous l’effet de températures de fonctionnement croissantes ou de contraintes thermiques externes, l’intégrité chimique de l’électrolyte et donc la capacité de conduction ionique sont préservées. La mesure de la stabilité thermique, généralement effectuée à l’aide d’un calorimètre différentiel dynamique (DSC) ou d’une analyse thermogravimétrique (TGA), permet d’identifier les limites de température dans lesquelles l’électrolyte est stable et ne libère pas de produits de décomposition dangereux. Cela est essentiel pour minimiser les risques de sécurité tels que la fuite thermique et garantir un environnement de fonctionnement sûr pour la batterie.

Exemple – Mesure TGA-MS des électrolytes :
Un exemple concret de l’application de la TGA est l’étude de la stabilité thermique et de la composition des électrolytes dans les batteries lithium-ion.

Au cours de cette mesure, l’électrolyte est soumis à des augmentations contrôlées de température pour analyser sa décomposition thermique et les pertes de poids qui en résultent. Ces données sont particulièrement informatives pour comprendre la stabilité de l’électrolyte dans différentes conditions de fonctionnement.

Par exemple, la température de décomposition de l’électrolyte peut indiquer à quelles températures la batterie peut être utilisée en toute sécurité sans risque de dégradation thermique de l’électrolyte. La dégradation thermique de l’électrolyte est un processus où l’électrolyte se décompose sous l’effet de températures élevées.

Cela peut être critique pour plusieurs raisons :

1. Température de décomposition : Déterminer la température de décomposition de l’électrolyte fournit des informations sur les températures auxquelles la batterie peut être utilisée en toute sécurité. La température de décomposition est le seuil à partir duquel l’électrolyte commence à changer chimiquement et à se dégrader.

2. Risque de dégradation thermique : Dépasser la température de décomposition peut rendre l’électrolyte instable, entraînant des réactions chimiques qui nuisent aux performances et à la sécurité de la batterie. Cela peut également entraîner la production de gaz et une augmentation potentielle de la pression à l’intérieur de la cellule de la batterie.

3. Impact sur les performances de la batterie : La dégradation thermique de l’électrolyte peut réduire la conductivité ionique et donc entraîner une efficacité réduite de la batterie. De plus, la dégradation de l’électrolyte peut entraîner la formation de produits nocifs qui affectent les surfaces des électrodes.

4. Considérations de sécurité : La stabilité thermique de l’électrolyte est cruciale pour la sécurité globale de la batterie. La dégradation thermique peut augmenter le risque de déclenchement d’une fuite thermique, en particulier si elle réagit avec d’autres composants de la batterie. De plus, la TGA-MS peut être utilisée pour déterminer la composition de l’électrolyte, y compris la teneur en solvants et autres additifs. Ces informations sont essentielles pour optimiser les propriétés de transport d’ions de l’électrolyte, ce qui peut à son tour influencer positivement l’efficacité et la durée de vie de la batterie. La caractérisation précise de l’électrolyte par analyse thermogravimétrique fournit des informations essentielles pour le développement de batteries plus efficaces et plus sûres. Les données obtenues à partir de ces analyses permettent une optimisation ciblée des composants de la batterie, ce qui conduit à une amélioration globale des performances de la batterie.

Chacun de ces composants contribue de manière significative aux performances et à la sécurité globales d’une batterie lithium-ion. La caractérisation précise fournie par les dispositifs de mesure de Linseis permet une optimisation ciblée de ces composants, améliorant ainsi considérablement l’efficacité, la durée de vie et la sécurité des batteries.

Prévention de l’emballement thermique – la sécurité avant tout

L’emballement thermique, une augmentation incontrôlée de la température dans les batteries, peut entraîner de graves problèmes de sécurité.

Les analyseurs utilisés pour étudier la stabilité thermique et mécanique des matériaux des batteries sont essentiels pour minimiser les risques d’un tel événement. Ils fournissent des informations précises sur la stabilité thermique des matériaux des batteries et aident à identifier les sources potentielles de danger.

L’emballement thermique se produit lorsque la température à l’intérieur d’une cellule de batterie atteint un point où la chaleur générée est supérieure à la chaleur libérée. Ce phénomène peut entraîner une réaction en chaîne qui détruit la batterie, voire provoque des incendies. Il est important de comprendre les causes de l’emballement thermique et de prendre les mesures appropriées pour minimiser le risque.

Détection précoce avec DSC et TGA : La détection précoce des conditions pouvant entraîner un emballement thermique est cruciale. Des instruments tels que le Calorimètre Différentiel à Balayage (DSC) et l’Analyse Thermogravimétrique (TGA) fournissent des données importantes sur le comportement thermique des matériaux des batteries. Ils permettent d’identifier des plages de température critiques où les matériaux deviennent instables.

Analyse des causes : Analyser les causes de l’emballement thermique implique d’examiner les compositions des matériaux, la stabilité de l’électrolyte et les réactions internes de la cellule. Ces analyses fournissent des informations précieuses pour identifier les facteurs de risque potentiels et développer des contre-mesures correspondantes.

Évaluation de la sécurité : En mesurant la génération de chaleur et la gestion de la chaleur, les instruments peuvent évaluer les normes de sécurité de la batterie. Cela est particulièrement important dans le développement de batteries pour des applications à haute performance telles que les véhicules électriques ou les systèmes de stockage d’énergie.

Optimisation des matériaux : Les résultats de l’analyse aident à la sélection et au développement de matériaux moins susceptibles à l’emballement thermique. Cela contribue à améliorer la sécurité globale, en optimisant la dissipation de chaleur depuis la cellule de la batterie et en améliorant la fiabilité de la batterie.

Optimisation de l’électrolyte : L’optimisation de la composition de l’électrolyte est un autre aspect important soutenu par des instruments précis. Une formulation d’électrolyte améliorée basée sur des données analytiques peut aider à augmenter la stabilité thermique à l’intérieur de la cellule, améliorant ainsi la sécurité de la batterie.

Optimisation de la conception de la cellule : Optimiser la conception de la cellule pour prévenir l’emballement thermique nécessite une gestion thermique intégrée basée sur une sélection minutieuse des matériaux pour réguler efficacement la dissipation et l’absorption de chaleur. Des matériaux d’anode et de cathode sélectionnés scientifiquement avec des conductivités thermiques élevées, ainsi que des séparateurs et des électrolytes thermiquement stables, sont cruciaux pour éviter une génération excessive de chaleur. De plus, des mécanismes de refroidissement avancés et des matériaux isolants contribuent à la distribution et à l’isolation de la chaleur, évitant ainsi une surchauffe locale et homogénéisant la température de la cellule. Une conception de cellule bien pensée prenant en compte ces composants augmente considérablement la sécurité de la batterie et minimise le risque d’emballement thermique.

Mesures préventives basées sur la caractérisation des matériaux : Mettre en œuvre des mesures préventives basées sur les résultats de l’analyse est une étape cruciale pour minimiser le risque d’emballement thermique. Cela inclut l’optimisation de la conception de la cellule, l’amélioration des systèmes de gestion de batterie et le développement de mécanismes de sécurité.

Gestion thermique – Réduction des risques et gestion thermique optimisée pour une durée de vie et une efficacité accrues.

Une régulation efficace de la température de fonctionnement est un facteur décisif pour la performance et la longévité des batteries. Elle permet de minimiser la dégradation des composants des batteries et de prolonger leur durée de vie globale.

Les batteries lithium-ion sont devenues la norme pour l’électronique portable, les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie, principalement en raison de leur densité énergétique élevée et de la stabilité de leur cycle de charge.

La température de fonctionnement est essentielle pour l’efficacité et la longévité de ces batteries, la température optimale se situant entre 15 et 35 °C environ.

Les températures supérieures à cette plage accélèrent la dégradation chimique, augmentent le risque d’emballement thermique et peuvent entraîner une perte permanente de capacité.

Les températures trop basses, en revanche, nuisent à la diffusion des ions et augmentent la résistance interne, ce qui réduit les performances de la batterie et augmente le risque de placage du lithium pendant la charge.

Le maintien d’une température de fonctionnement appropriée est donc essentiel pour garantir des performances, une sécurité et une durée de vie maximales de la batterie.

Diverses méthodes de gestion thermique, telles que le refroidissement actif ou le refroidissement indirect par liquide, sont cruciales pour maintenir la température de fonctionnement dans la plage optimale afin de garantir les performances et la sécurité des batteries lithium-ion.

Complexité de la Gestion Thermique dans les Technologies de Batteries

• La gestion thermique dans les systèmes de batterie modernes joue un rôle crucial dans les performances, la sécurité et la longévité. Elle implique de réguler précisément les conditions de température internes pour garantir un fonctionnement optimal.

• Des augmentations de température incontrôlées peuvent entraîner des dommages irréversibles en raison de la dégradation chimique, tandis que des températures trop basses peuvent affecter la conductivité ionique et donc les performances de la batterie.

• Une gestion thermique équilibrée garantit non seulement l’efficacité, mais aussi la longévité et la sécurité des batteries, en particulier dans des applications à haute performance telles que les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie.

Instruments Analytiques pour les Propriétés de Transport de Chaleur

• Des instruments analytiques avancés sont utilisés pour étudier les propriétés thermiques des matériaux de batterie. Ceux-ci comprennent l’Analyseur Laser Flash (LFA), le Pont Thermique Transitoire (THB) et le Chauffage Laser Périodique (PLH).

• L’Analyseur Laser Flash (LFA) permet la mesure de la conductivité thermique et de la diffusivité, qui sont cruciales pour le transfert de chaleur à l’intérieur des composants de la batterie.

• Le Pont Thermique Transitoire (THB) élargit le spectre de l’analyse thermique en mesurant la conductivité thermique et la résistance thermique des matériaux de batterie dans des conditions de fonctionnement réelles.

• Le Chauffage Laser Périodique (PLH) est une méthode innovante pour la caractérisation rapide et précise de la conductivité thermique et de la capacité thermique spécifique. Il est essentiel pour une analyse thermique précise et pour le développement de matériaux de batterie avec des propriétés thermiques supérieures.

Importance du Testeur TIM pour un Transfert de Chaleur Efficace

• Le Testeur de Matériau d’Interface Thermique (TIM) est spécialisé dans l’évaluation des matériaux utilisés aux interfaces entre les cellules de batterie et les composants de refroidissement. De plus, il peut mesurer l’impédance thermique, permettant l’optimisation de la gestion thermique pour les matrices de cellules.

• Il mesure précisément la conductivité thermique et la résistance thermique de ces matériaux pour garantir un transfert de chaleur optimal des batteries vers le boîtier ou le corps de refroidissement.

• Les matériaux d’interface efficaces, identifiés et optimisés par le Testeur TIM, sont essentiels pour éviter la surchauffe des cellules et contribuent de manière significative à améliorer les performances globales de la batterie.

Visualisation et Interprétation des Données Thermiques

• La visualisation des données obtenues grâce à ces analyses permet une interprétation approfondie des propriétés thermiques des matériaux de batterie.

• Les graphiques représentant la conductivité thermique ou la capacité thermique spécifique sur diverses plages de température fournissent des informations complètes sur la gestion thermique des batteries.

Une gestion thermique efficace, soutenue par des mesures et des analyses précises des instruments de Linseis, est essentielle pour maximiser la performance, la sécurité et la durée de vie des batteries modernes.

Grâce à une innovation continue dans ce domaine, nous contribuons à améliorer la fiabilité et l’efficacité de la technologie des batteries.

La figure montre une mesure dans laquelle les essais de la batterie LFA ont été effectués sur un matériau de cathode Na-ion. La diffusivité thermique et la conductivité thermique atteignent un maximum à environ 90 °C et diminuent ensuite relativement fortement.

Stabilité thermique – un facteur clé pour des piles fiables

La stabilité thermique des matériaux de batterie est un facteur crucial pour la sécurité et la fiabilité des batteries lithium-ion. L’équipement de mesure de pointe de Linseis joue un rôle central dans l’évaluation et l’amélioration de cette propriété importante.

La capacité à évaluer avec précision la stabilité thermique des matériaux de batterie est essentielle pour garantir que les batteries modernes répondent à des normes élevées en matière de sécurité et de performance. Les instruments de mesure de Linseis offrent la précision et la fiabilité nécessaires pour évaluer pleinement cette propriété importante.

La figure 2 montre une courbe de mesure DSC d’un électrolyte solide en céramique, qui est utilisé dans les piles à l’état solide et permet de créer des piles à haute énergie plus sûres. Un traitement thermique à haute température est nécessaire pour lier l’électrolyte, les électrodes et d’autres composants tels que les collecteurs de courant.

Caractérisation des dispositifs – Précision dans la recherche sur les batteries avec le calorimètre pour batteries

Un calorimètre de batterie est un appareil utilisé pour mesurer la chaleur générée par une batterie lors de la charge et de la décharge. Cette mesure, connue sous le nom de “chaleur de réaction”, est un indicateur important des performances de la batterie. La chaleur de réaction est la différence entre l’enthalpie (contenu thermique) des réactifs et des produits d’une réaction chimique.

Les calorimètres de batterie sont utilisés en recherche et développement pour évaluer les nouvelles chimies de batterie et optimiser la conception des batteries existantes. Ils sont également utilisés dans le processus de fabrication pour s’assurer que les batteries respectent les normes de performances et de sécurité.

Pour la surveillance thermique des batteries, Linseis propose un calorimètre modulaire (IBC). Il se compose d’un nombre variable de composants presque identiques et permet l’investigation de différentes tailles de cellules de batterie. De plus, les modules sont facilement évolutifs dans leur géométrie.

Importance du calorimètre de batterie : Le calorimètre de batterie mesure les quantités de chaleur générées pendant les réactions électrochimiques à l’intérieur de la batterie. Ces mesures sont cruciales pour comprendre et améliorer le comportement thermique et l’efficacité des batteries.

Applications : Ces dispositifs sont particulièrement importants pour le développement de nouveaux types de batteries, tels que les batteries lithium-ion, où la stabilité thermique et la sécurité sont d’une importance capitale. Ils sont également utilisés dans le contrôle qualité et les tests de performance des batteries.

Analyse thermique et sécurité : En analysant la génération de chaleur dans différentes conditions de fonctionnement, les calorimètres de batterie aident à identifier et à prévenir les risques potentiels pour la sécurité tels que les fuites thermiques. Cela est crucial pour la sécurité des produits de consommation.

Optimisation des performances de la batterie : La mesure précise de la génération de chaleur permet d’optimiser la chimie interne et la construction de la batterie, ce qui conduit à une densité énergétique accrue, une capacité de charge améliorée et une durée de vie plus longue.

Recherche et développement : Dans les laboratoires de recherche et développement, les calorimètres de batterie sont utilisés pour tester et évaluer de nouveaux matériaux et technologies. Les connaissances acquises grâce à ces tests sont essentielles pour progresser dans la technologie des batteries.

Développé conjointement avec le Physikalisch-Technische Bundesanstalt :

Tableau récapitulatif