Sfruttare il potenziale dell'analisi delle batterie - Applicazioni delle batterie
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Massimizzare l’efficienza e la sicurezza delle batterie
In un mondo sempre più caratterizzato dalla dipendenza energetica, le batterie svolgono un ruolo fondamentale per un futuro sostenibile. I nostri precisi strumenti analitici sono progettati per migliorare l’efficienza e la sicurezza delle batterie, prolungandone la vita utile.
Le tecnologie avanzate mirano a superare i limiti di ciò che è possibile fare nell’analisi delle batterie, contribuendo al contempo a un mondo più verde. L’obiettivo è esplorare come le batterie possano funzionare meglio, durare più a lungo ed essere più sicure.
Progressi tecnologici e vantaggi basati sullo sviluppo delle batterie per auto e telefoni cellulari
Introduzione alla chimica delle celle delle batterie
La chimica delle celle è il principio fondamentale alla base del funzionamento e delle prestazioni delle batterie. Comprende una complessa interazione di processi elettrochimici e scienze dei materiali che costituiscono la base per l’accumulo e il rilascio di energia.
In questa interazione, i componenti principali di una batteria – catodo, anodo, elettrolita e separatore – agiscono in modo finemente sintonizzato per immagazzinare energia elettrica e rilasciarla nuovamente in modo efficiente.
Il catodo e l’anodo, le controparti elettrochimiche di una batteria, determinano parametri chiave come la tensione della cella, la capacità energetica e la stabilità del ciclo grazie alle loro proprietà redox dipendenti dal materiale.
I materiali per il catodo, come gli ossidi di cobalto di litio o il fosfato di ferro di litio, e i materiali per l’anodo, tra cui la grafite e i compositi a base di silicio, sono oggetto di un’intensa attività di ricerca al fine di ottenere proprietà ottimali in termini di efficienza energetica e densità.
L’elettrolita, un componente essenziale per il trasferimento degli ioni tra il catodo e l’anodo, influenza in modo significativo la dinamica degli ioni e quindi le prestazioni complessive della batteria.
Lo sviluppo di elettroliti innovativi che garantiscano un trasferimento efficiente degli ioni e allo stesso tempo aumentino la stabilità termica e chimica della batteria è un’area di ricerca fondamentale.
Questo include lo studio di formulazioni di elettroliti sia liquidi che solidi. Il separatore, uno strato microporoso che separa spazialmente il catodo e l’anodo, è fondamentale per prevenire i cortocircuiti interni.
La sua permeabilità e integrità meccanica sono fondamentali per la sicurezza e la longevità della batteria. Un design avanzato del separatore contribuisce a migliorare la diffusione degli ioni e a ridurre al minimo il rischio di destabilizzazione termica.
I più recenti approcci di ricerca nella tecnologia delle batterie, come lo sviluppo di elettroliti allo stato solido e di batterie al litio-solfuro, mirano a superare i limiti delle tecnologie convenzionali agli ioni di litio.
A differenza delle batterie agli ioni di litio tradizionali, che utilizzano elettroliti liquidi, gli elettroliti allo stato solido sono costituiti da un materiale solido che può comunque condurre gli ioni.
Questi elettroliti allo stato solido eliminano molti degli svantaggi degli elettroliti liquidi, come il rischio di perdite o di infiammabilità.
I vantaggi degli elettroliti allo stato solido includono
1. maggiore densità di energia: grazie all’utilizzo di elettroliti allo stato solido, la batteria può immagazzinare più energia in un’area più piccola, con una conseguente maggiore densità di energia.
2. maggiore sicurezza: gli elettroliti allo stato solido sono tipicamente non infiammabili e quindi riducono il rischio di incendi della batteria e di fughe termiche.
3. maggiore durata: gli elettroliti allo stato solido hanno minori probabilità di degradarsi nel tempo, il che si traduce in una maggiore durata della batteria.
4. tempi di ricarica più rapidi: Alcuni elettroliti allo stato solido consentono un movimento più rapido degli ioni, che può portare a tempi di ricarica della batteria più brevi.
Analisi del catodo mediante calorimetria a scansione differenziale
Le prestazioni e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio dipendono in larga misura dalla qualità e dalle proprietà dei loro componenti materiali.
La caratterizzazione precisa di questi componenti è quindi fondamentale per rendere le batterie più efficienti, durevoli e sicure.
I sofisticati dispositivi di misurazione giocano un ruolo fondamentale in questo processo di ottimizzazione.
Il catodo, l’anodo, il separatore e l’elettrolita possono essere analizzati in dettaglio utilizzando l’ampio portafoglio di prodotti LINSEIS e dispositivi come il DSC, il calorimetro o l’accoppiamento con uno spettrometro di massa per ottenere informazioni dettagliate sui processi che avvengono durante la carica e la scarica dei materiali di stoccaggio.
Questa conoscenza dettagliata consente un’ottimizzazione mirata di questi componenti, che può aumentare in modo significativo l’efficienza, la durata e la sicurezza delle batterie.
- Catodo: il catodo svolge un ruolo centrale nelle batterie, in quanto determina direttamente la capacità energetica e quindi le prestazioni della batteria. È il polo positivo della batteria ed è il luogo in cui gli ioni vengono assorbiti durante il processo di scarica, che porta al rilascio di energia.
- Composizione del materiale: i catodi moderni sono costituiti da vari composti come l’ossido di litio e cobalto (LiCoO2), il fosfato di ferro e litio (LiFe-PO4), l’ossido di nichel manganese e cobalto (NMC) e altri.
- Struttura cristallina: la struttura cristallina del materiale catodico gioca un ruolo decisivo per le prestazioni della batteria. Influenza la mobilità degli ioni all’interno del materiale e quindi la velocità di carica e scarica.
- Stabilità elettrochimica: la stabilità elettrochimica del catodo è determinante per la durata della batteria. I materiali con un’elevata stabilità elettrochimica sono meno soggetti a reazioni di riduzione della capacità durante il ciclo di carica/scarica.
- Chimica di superficie: la chimica di superficie del materiale del catodo può influenzare l’interazione con l’elettrolita e quindi le prestazioni e la stabilità della batteria. L’ottimizzazione della chimica di superficie può contribuire a migliorare la densità energetica e la stabilità del ciclo.
- Conducibilità termica La conducibilità termica del catodo nelle batterie è fondamentale per la gestione termica, per evitare il surriscaldamento e i potenziali rischi per la sicurezza. Un’elevata conducibilità termica consente di dissipare efficacemente il calore generato durante il funzionamento, mantenendo la temperatura stabile ed evitando un aumento incontrollato della temperatura, come ad esempio la fuga termica. Pertanto, la scelta di materiali e strutture per catodi con una buona conducibilità termica è fondamentale per le prestazioni e la sicurezza dei sistemi di batterie.
Analisi TGA del litio ferro fosfato (LiFePO4) per caratterizzare il catodo
Un esempio lampante dell’uso della TGA è l’indagine sul fosfato di ferro e litio (LiFePO4), un materiale catodico molto utilizzato nelle batterie agli ioni di litio.
Il LiFePO4 è noto per la sua elevata stabilità termica e sicurezza. Nell’analisi TGA, un campione di LiFePO4 viene riscaldato in modo controllato per valutarne la stabilità termica e la composizione.
Durante il processo di riscaldamento, le variazioni di peso del campione vengono misurate con precisione per ottenere informazioni sui processi di decomposizione termica. Questi dati sono fondamentali per comprendere le proprietà termiche del materiale, il che è di grande importanza per le applicazioni in settori come l’elettromobilità o l’accumulo stazionario di energia.
I risultati della TGA forniscono importanti indicazioni sulla stabilità del materiale catodico in condizioni operative. Ad esempio, analizzando le temperature di decomposizione del LiFePO4, è possibile trarre conclusioni sulla durata e sulla sicurezza della batteria in diverse condizioni operative.
Ciò consente di ottimizzare in modo mirato la composizione dei materiali e il design delle celle per migliorare le prestazioni complessive e la sicurezza della batteria. La caratterizzazione precisa dei materiali catodici mediante l’analisi termogravimetrica è quindi un passo indispensabile per aumentare le prestazioni e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio. Tali analisi contribuiscono in modo significativo all’ulteriore sviluppo e all’ottimizzazione di questa tecnologia chiave.
- Anodo: nelle batterie, l’anodo agisce come polo negativo ed è in gran parte responsabile della velocità di carica e della capacità della batteria. Durante il processo di carica, gli ioni provenienti dal catodo vengono immagazzinati nell’anodo, che svolge un ruolo fondamentale nell’immagazzinamento e nel rilascio di questi ioni.
- Selezione del materiale: Tradizionalmente, la grafite è stata utilizzata come materiale anodico grazie alla sua capacità di immagazzinare efficacemente gli ioni. Tuttavia, recenti ricerche stanno esplorando materiali alternativi come il silicio, il titanato di litio e vari nanomateriali di carbonio che possono offrire una maggiore capacità e velocità di ricarica.
- Struttura superficiale e porosità: la microstruttura e la porosità dei materiali anodici sono fondamentali per lo stoccaggio degli ioni. Una struttura ottimizzata consente un’efficiente mobilità degli ioni e contribuisce a una maggiore capacità di carica.
- Stabilità elettrochimica: la stabilità dei materiali anodici durante i cicli di carica/scarica è essenziale per la durata della batteria. I materiali resistenti alla degradazione elettrochimica migliorano la stabilità dei cicli della batteria.
- Interazione con l’elettrolita: l’interazione chimica tra il materiale anodico e l’elettrolita influenza le prestazioni della batteria. Una compatibilità ottimizzata riduce le reazioni collaterali indesiderate che possono portare a una riduzione della capacità.
Analisi STA dei materiali anodici in grafite
Un esempio concreto di applicazione dello STA è l’indagine sui materiali anodici di grafite. La grafite è spesso utilizzata nelle batterie agli ioni di litio ed è nota per la sua capacità di immagazzinare in modo efficiente gli ioni di litio.
In STA, il materiale anodico di grafite viene sottoposto contemporaneamente all’analisi termica differenziale(DTA) e alla termogravimetria (TGA). Questa analisi combinata fornisce informazioni preziose sulle reazioni termiche e di cambiamento di massa del materiale durante il riscaldamento.
Il componente DTA misura il flusso di calore per identificare gli eventi endotermici ed esotermici, mentre il TGA registra la perdita di peso del materiale, consentendo di trarre conclusioni sulle temperature e sui processi di decomposizione.
Questa analisi completa può fornire informazioni fondamentali sulla stabilità del materiale anodico in diverse condizioni operative. Ad esempio, l’identificazione della temperatura alla quale la grafite inizia a ossidarsi consente di ottimizzare il sistema di gestione della batteria per evitare il surriscaldamento e aumentarne la durata.
Inoltre, analizzando l’espansione e la contrazione termica della grafite durante l’intercalazione degli ioni di litio, è possibile comprendere la stabilità strutturale del materiale e la sua influenza sulla stabilità del ciclo.
L’intercalazione degli ioni di litio nel materiale anodico di grafite è un processo in cui il litio si deposita tra gli strati di grafite, determinando una variazione di volume. Questa variazione di volume può essere determinata con precisione utilizzando la dilatometria, un metodo per misurare la variazione di lunghezza dei materiali in funzione della temperatura.
Il dilatometro è un dispositivo di misurazione che registra l’espansione e la contrazione termica della grafite durante l’intercalazione del litio e fornisce quindi informazioni sulla stabilità strutturale del materiale anodico.
L’uso dell’analisi termica simultanea per analizzare i materiali anodici è un passo fondamentale per aumentare l’efficienza e la durata delle batterie agli ioni di litio.
Queste analisi approfondite sono fondamentali per sviluppare materiali ottimizzati per i requisiti delle moderne tecnologie delle batterie.
- Separatore: nelle batterie, il separatore svolge una funzione di sicurezza fondamentale, in particolare per quanto riguarda il rischio di cortocircuiti e fughe termiche. Si tratta di una membrana microporosa che viene posizionata tra il catodo e l’anodo per evitare il contatto diretto e quindi i cortocircuiti elettrici tra gli elettrodi. Allo stesso tempo, consente il flusso di ioni tra il catodo e l’anodo durante il ciclo di carica e scarica.
- Permeabilità agli ioni: il separatore deve avere un’elevata permeabilità agli ioni per consentire un trasferimento efficiente degli stessi. Questo aspetto è fondamentale per le prestazioni complessive della batteria.
- Stabilità termica e meccanica: il separatore deve essere termicamente e meccanicamente stabile nelle condizioni operative della batteria. Una stabilità termica insufficiente può portare alla fusione del separatore e quindi a un cortocircuito, che rappresenta un rischio elevato per la sicurezza.
- Rivestimenti in ceramica: I moderni separatori sono spesso rivestiti con particelle di ceramica per migliorare la stabilità termica. Questi rivestimenti aumentano l’integrità della fusione e la robustezza meccanica del separatore, soprattutto alle alte temperature, aumentando in modo significativo la sicurezza della batteria. L’integrità della fusione del separatore di una batteria può essere analizzata con un analizzatore termomeccanico ( TMA) per assicurarsi che il separatore non ceda meccanicamente o si rompa, cosa che può portare a una fuga termica della batteria.
- Metodi di analisi: Per valutare le proprietà dei separatori si utilizza un metodo di misurazione elettromeccanico. Questi metodi possono fornire informazioni sulla variazione delle dimensioni del separatore in diverse condizioni operative e sulla temperatura alla quale il separatore inizia a cedere.
- Ruolo nella prevenzione della fuga termica: un separatore efficiente e sicuro è fondamentale per ridurre al minimo il rischio di fuga termica. Deve mantenere un effetto barriera sufficiente anche quando la batteria è esposta a temperature estreme.
Misurazione TMA delle membrane separatrici rivestite
Un esempio rilevante dell’applicazione dell’analisi termomeccanica (TMA) è lo studio delle membrane di separazione rivestite con particelle di ceramica. Questo rivestimento può aumentare significativamente la sicurezza delle batterie migliorando l’integrità di fusione e la robustezza meccanica del separatore al di sopra del suo punto di fusione.
L’analisi termomeccanica (TMA) dei separatori delle batterie consiste principalmente nel misurare la reazione fisica del materiale alle variazioni di temperatura. Le variabili chiave misurate sono l’espansione o la contrazione (allungamento o ritiro) del materiale del separatore in funzione della temperatura.
La misurazione TMA comprende i seguenti aspetti:
- Misurazione dei coefficienti di espansione: Il TMA misura come cambia fisicamente la membrana del separatore in condizioni di temperatura controllata. Ciò include l’espansione o la contrazione lineare del materiale al variare della temperatura, che fornisce informazioni sui coefficienti di espansione termica.
- Valutazione dell’integrità meccanica: la misurazione dell’allungamento o del restringimento del separatore a diverse temperature consente di valutarne l’integrità meccanica. Questo è fondamentale per capire come il separatore reagisce alle condizioni termiche di funzionamento della batteria.
- Determinazione del punto di fusione: oltre all’espansione, il TMA può essere utilizzato anche per determinare il punto di fusione del materiale del separatore. Il punto di fusione è una temperatura critica alla quale il separatore inizia a perdere la sua integrità strutturale, con conseguenti rischi per la sicurezza.
- Elettrolita: nelle batterie, l’elettrolita è un elemento fondamentale per il trasporto degli ioni tra il catodo e l’anodo. Nel caso più comune, consiste in una soluzione di sali di litio in un solvente organico e consente il movimento degli ioni di litio durante il processo di carica e scarica della batteria.
- Conducibilità ionica: la conducibilità dell’elettrolita è fondamentale per l’efficienza del trasferimento di ioni tra gli elettrodi. Un’elevata conducibilità ionica consente una carica e una scarica rapida della batteria e migliora le prestazioni complessive.
- Composizione chimica: la composizione chimica dell’elettrolita, in particolare il tipo di sale di litio e di solvente, influenza le proprietà elettrochimiche della batteria. La scelta dei componenti ha un’influenza diretta su fattori quali la tensione di esercizio, la stabilità della temperatura e la sicurezza della batteria.
- Stabilità elettrochimica: l’elettrolita deve essere elettrochimicamente stabile per evitare la decomposizione alle tensioni di esercizio della batteria. Una composizione instabile dell’elettrolita può portare a reazioni collaterali indesiderate che compromettono le prestazioni e la durata della batteria.
- Interazione con i materiali degli elettrodi: l’interazione dell’elettrolita con i materiali degli elettrodi è fondamentale per la stabilità a lungo termine della batteria. Un’interazione ottimale riduce al minimo la formazione di strati superficiali dannosi sugli elettrodi, noti come “interfasi elettrolitiche solide” (SEI).
- Stabilità termica: la stabilità termica dell’elettrolita di una batteria è un fattore critico che influenza in modo significativo la sicurezza operativa e le prestazioni delle batterie. Un’elevata stabilità termica dell’elettrolita garantisce il mantenimento dell’integrità chimica dell’elettrolita e quindi della conducibilità ionica anche in presenza di temperature operative crescenti o di carichi termici esterni. La misurazione della stabilità termica, tipicamente effettuata con un calorimetro dinamico a scansione differenziale (DSC) o un’analisi termogravimetrica (TGA), consente di identificare i limiti di temperatura entro i quali l’elettrolita è stabile e non rilascia prodotti di decomposizione pericolosi. Questo è essenziale per ridurre al minimo i rischi per la sicurezza, come la fuga termica, e per garantire un ambiente operativo sicuro per la batteria.
Misurazione TGA-MS degli elettroliti
Un esempio concreto dell’applicazione della TGA è l’indagine sulla stabilità termica e sulla composizione degli elettroliti nelle batterie agli ioni di litio.
In questa misurazione, l’elettrolita viene esposto a un aumento controllato della temperatura per analizzare la sua decomposizione termica e la conseguente perdita di peso.
Questi dati sono particolarmente utili per comprendere la stabilità dell’elettrolita in diverse condizioni operative.
Ad esempio, la temperatura di decomposizione dell’elettrolita può fornire informazioni sulle temperature a cui la batteria può funzionare in modo sicuro senza il rischio di degradazione termica dell’elettrolita. La degradazione termica dell’elettrolita è un processo in cui l’elettrolita si decompone sotto l’influenza di temperature elevate.
Questo può essere fondamentale per diversi motivi:
1. temperatura di decomposizione: la determinazione della temperatura di decomposizione dell’elettrolita fornisce informazioni sulle temperature a cui la batteria può funzionare in modo sicuro. La temperatura di decomposizione è la soglia in cui l’elettrolita inizia a cambiare chimicamente e a degradarsi.
2. rischio di degrado termico: se la temperatura di decomposizione viene superata, l’elettrolita può diventare instabile e subire reazioni chimiche che compromettono le prestazioni e la sicurezza della batteria. Questo può anche portare alla formazione di gas e a un potenziale aumento della pressione all’interno della cella della batteria.
3. effetti sulle prestazioni della batteria: la degradazione termica dell’elettrolita può portare a una riduzione della conduttività ionica e quindi a una minore efficienza della batteria. Inoltre, la degradazione dell’elettrolita può portare alla formazione di prodotti nocivi che intaccano le superfici degli elettrodi.
4 Aspetti di sicurezza: La stabilità termica dell’elettrolita è fondamentale per la sicurezza complessiva della batteria. Il degrado termico può aumentare il rischio di fuga termica, soprattutto se si verifica una reazione con altri componenti della batteria.
Inoltre, la TGA-MS può essere utilizzata per determinare la composizione dell’elettrolita, compreso il contenuto di solventi e altri additivi.
Queste informazioni sono fondamentali per ottimizzare le proprietà di trasporto degli ioni dell’elettrolita, che a loro volta possono influenzare positivamente l’efficienza e la durata della batteria.
La caratterizzazione precisa dell’elettrolita mediante l’analisi termogravimetrica fornisce risultati essenziali per lo sviluppo di batterie più potenti e sicure. I dati ottenuti da queste analisi consentono un’ottimizzazione mirata dei componenti della batteria, che porta a un miglioramento delle prestazioni complessive della stessa.
Ognuno di questi componenti contribuisce in modo significativo alle prestazioni complessive e alla sicurezza di una batteria agli ioni di litio. La caratterizzazione precisa effettuata dai dispositivi di misura Linseis consente un’ottimizzazione mirata di questi componenti, che può aumentare in modo significativo l’efficienza, la durata e la sicurezza delle batterie.
Prevenzione della fuga termica: la sicurezza prima di tutto
La fuga termica, un aumento incontrollato della temperatura nelle batterie, può causare gravi problemi di sicurezza.
Gli analizzatori utilizzati per studiare la stabilità termica e meccanica dei materiali delle batterie sono fondamentali per ridurre al minimo i rischi di un simile evento. Forniscono informazioni precise sulla stabilità termica dei materiali delle batterie e aiutano a identificare le potenziali fonti di pericolo.
La fuga termica si verifica quando la temperatura all’interno di una cella della batteria raggiunge un punto in cui il calore generato è maggiore di quello ceduto. Questo può portare a una reazione a catena che distrugge la batteria o addirittura provoca incendi. È importante capire le cause della fuga termica e adottare le misure adeguate per ridurre al minimo il rischio.
- Rilevamento precoce con DSC e TGA: il rilevamento precoce delle condizioni che potrebbero portare a una fuga termica è fondamentale. Strumenti come il Calorimetro Differenziale a Scansione (DSC) e l’analisi termogravimetrica (TGA) forniscono dati importanti sul comportamento termico dei materiali delle batterie. Aiutano a identificare gli intervalli di temperatura critici in cui i materiali diventano instabili.
- Analizzare le cause: L’analisi delle cause di una fuga termica comporta lo studio della composizione dei materiali, della stabilità degli elettroliti e delle reazioni interne alla cella. Queste analisi forniscono spunti preziosi per identificare i potenziali fattori di rischio e sviluppare contromisure adeguate.
- Valutazione della sicurezza: misurando la generazione e la gestione del calore, gli strumenti possono valutare gli standard di sicurezza delle batterie. Ciò è particolarmente importante nello sviluppo di batterie per applicazioni ad alte prestazioni come i veicoli elettrici o i sistemi di accumulo di energia.
- Ottimizzazione dei materiali: i risultati dell’analisi supportano la selezione e lo sviluppo di materiali meno suscettibili al runaway termico. Questo contribuisce a migliorare la sicurezza generale, l’ottimizzazione della dissipazione del calore dalla cella della batteria e l’affidabilità della stessa.
- Ottimizzazione degli elettroliti: l’ ottimizzazione della composizione dell’elettrolita è un altro aspetto importante che viene supportato da strumenti precisi. Una migliore formulazione dell’elettrolita basata su dati analitici può contribuire ad aumentare la stabilità termica della cella, aumentando così la sicurezza della batteria.
- Ottimizzazione del design della cella: l’ ottimizzazione del design della cella per evitare la fuga termica richiede una gestione termica integrata basata su un’attenta selezione dei materiali che regolano in modo efficiente la dissipazione e l’assorbimento del calore. Materiali anodici e catodici scientificamente selezionati con elevate conducibilità termiche, nonché separatori ed elettroliti termicamente stabili sono fondamentali per evitare un’eccessiva generazione di calore. Inoltre, meccanismi di raffreddamento avanzati e materiali isolanti contribuiscono alla distribuzione e all’isolamento del calore, evitando il surriscaldamento locale e omogeneizzando la temperatura della cella. Una progettazione ben studiata delle celle che tenga conto di questi componenti contribuisce in modo significativo ad aumentare la sicurezza delle batterie e a ridurre al minimo il rischio di fuga termica.
- Misure preventive attraverso la caratterizzazione dei materiali: l’attuazione di misure preventive basate sui risultati delle analisi è un passo decisivo per ridurre al minimo il rischio di fuga termica. Ciò include l’ottimizzazione del design della cella, il miglioramento del sistema di gestione della batteria e lo sviluppo di meccanismi di sicurezza.
Gestione termica: minimizzazione dei rischi e gestione termica ottimizzata per una maggiore durata ed efficienza.
Una regolazione efficiente della temperatura di esercizio è un fattore decisivo per le prestazioni e la longevità delle batterie. Aiuta a ridurre al minimo il degrado dei componenti della batteria e a prolungarne la durata complessiva.
Le batterie agli ioni di litio si sono affermate come standard per l’elettronica portatile, i veicoli elettrici e i sistemi di accumulo di energia, soprattutto grazie alla loro elevata densità energetica e alla stabilità del ciclo di carica.
La temperatura di esercizio è fondamentale per l’efficienza e la longevità di queste batterie: la temperatura ottimale è compresa tra i 15°C e i 35°C circa.
Le temperature superiori a questo intervallo accelerano la degradazione chimica, aumentano il rischio di fuga termica e possono portare alla perdita permanente della capacità.
Le temperature troppo basse, invece, compromettono la diffusione degli ioni e aumentano la resistenza interna, riducendo le prestazioni della batteria e aumentando il rischio di placcatura del litio durante la carica.
Il mantenimento di una temperatura di esercizio adeguata è quindi essenziale per garantire le massime prestazioni, la sicurezza e la durata della batteria.
Diversi metodi di gestione termica, come il raffreddamento attivo o indiretto a liquido, sono fondamentali per mantenere la temperatura di esercizio nell’intervallo ottimale e garantire così le prestazioni e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio.
Complessità della gestione termica nelle tecnologie delle batterie
- La gestione termica nei moderni sistemi di batterie gioca un ruolo decisivo per le prestazioni, la sicurezza e la durata. Comporta la regolazione precisa delle condizioni di temperatura interna per garantire una funzionalità ottimale.
- Un aumento incontrollato della temperatura può portare a danni irreversibili dovuti alla degradazione chimica, mentre temperature troppo basse possono compromettere la conducibilità ionica e quindi le prestazioni della batteria.
- Una gestione termica equilibrata non solo garantisce l’efficienza, ma anche la longevità e la sicurezza delle batterie, soprattutto in applicazioni ad alte prestazioni come i veicoli elettrici e i sistemi di accumulo di energia.
Strumenti analitici per le proprietà di trasferimento del calore
- Per analizzare le proprietà termiche dei materiali delle batterie vengono utilizzati strumenti analitici avanzati. Il Laser Flash Analyser ( LFA ), il Transient Hot Bridge ( THB ) e il Riscaldamento Laser Periodico ( PLH ).
- L’LFA consente di misurare la conduttività e la diffusività termica, fondamentali per il trasferimento di calore all’interno dei componenti della batteria.
- Il Transient Hot Bridge (THB L56) amplia lo spettro dell’analisi termica misurando la conduttività termica e la resistenza termica dei materiali delle batterie in condizioni operative reali.
- Il riscaldamento laser periodico (PLH L53) è un metodo innovativo per la caratterizzazione rapida e precisa della conduttività termica e della capacità termica specifica. È essenziale per un’analisi termica accurata e per lo sviluppo di materiali per batterie con proprietà termiche superiori.
Importanza del tester TIM (TIM L58) per un trasferimento di calore efficiente
- Il Tester per materiali di interfaccia termica (TIM) (TIM L58) è specializzato nella valutazione dei materiali utilizzati alle interfacce tra le celle della batteria e i componenti di raffreddamento. Può anche misurare l’impedenza termica, il che consente di ottimizzare la gestione termica degli array di celle.
- Misura con precisione la conducibilità termica e la resistenza termica di questi materiali per garantire un trasferimento ottimale del calore dalle batterie all’alloggiamento o al dissipatore.
- I materiali di interfaccia efficienti, identificati e ottimizzati dal tester TIM, sono essenziali per evitare il surriscaldamento delle celle e contribuiscono in modo significativo a migliorare le prestazioni complessive della batteria.
Visualizzazione e interpretazione dei dati termici
- La visualizzazione dei dati ottenuti da queste analisi consente un’interpretazione approfondita delle proprietà termiche dei materiali della batteria.
- I diagrammi che mostrano la conduttività termica o la capacità termica specifica in diversi intervalli di temperatura forniscono una visione completa della gestione termica delle batterie.
Una gestione termica efficace, supportata da misurazioni e analisi precise da parte degli strumenti Linseis, è essenziale per massimizzare le prestazioni, la sicurezza e la durata delle batterie moderne.
Grazie alla continua innovazione in questo settore, stiamo contribuendo a migliorare ulteriormente l’affidabilità e l’efficienza della tecnologia delle batterie.
La figura mostra una misurazione in cui i test delle batterie LFA sono stati eseguiti su un materiale catodico agli ioni di Na. La diffusività termica e la conducibilità termica raggiungono un massimo a circa 90 °C e poi diminuiscono in modo relativamente netto.
Stabilità termica: un fattore chiave per batterie affidabili
La stabilità termica dei materiali delle batterie è un fattore cruciale per la sicurezza e l’affidabilità delle batterie agli ioni di litio. Le apparecchiature di misura all’avanguardia di Linseis svolgono un ruolo centrale nella valutazione e nel miglioramento di questa importante proprietà.
La capacità di valutare con precisione la stabilità termica dei materiali delle batterie è fondamentale per garantire che le batterie moderne soddisfino elevati requisiti di sicurezza e prestazioni. I dispositivi di misura Linseis offrono la precisione e l’affidabilità necessarie per valutare in modo completo questa importante proprietà.
La figura seguente mostra una curva di misurazione DSC di un elettrolita solido in ceramica che viene utilizzato nelle batterie a stato solido e consente di ottenere batterie ad alta energia più sicure. Il trattamento termico ad alta temperatura è necessario per legare l’elettrolita, gli elettrodi e altri componenti come i collettori di corrente.
Caratterizzazione dei dispositivi – Precisione nella ricerca sulle batterie con il calorimetro per batterie
Il calorimetro per batterie è un dispositivo che misura il calore generato da una batteria durante la carica e la scarica. Questa misurazione è nota come “calore di reazione” ed è un importante indicatore delle prestazioni di una batteria. Il calore di reazione è la differenza tra l’entalpia (contenuto di calore) dei reagenti e dei prodotti di una reazione chimica.
I calorimetri per batterie sono utilizzati nella ricerca e nello sviluppo per valutare le nuove sostanze chimiche delle batterie e per ottimizzare il design delle batterie esistenti. Vengono utilizzati anche nel processo di produzione per garantire che le batterie rispettino le prestazioni e gli standard di sicurezza.
Per il monitoraggio termico delle batterie, Linseis propone un calorimetro modulare calorimetro modulare (IBC L91) è disponibile. È costituito da un numero variabile di componenti quasi identici e consente di analizzare un’ampia gamma di dimensioni di celle di batterie. La geometria dei moduli è inoltre facilmente scalabile.
Importanza del calorimetro per batterie: il calorimetro per batterie misura la quantità di calore generata durante le reazioni elettrochimiche all’interno della batteria. Queste misurazioni sono fondamentali per comprendere e migliorare il comportamento termico e l’efficienza delle batterie.
Aree di applicazione: Questi dispositivi sono particolarmente importanti per lo sviluppo di nuovi tipi di batterie, come quelle agli ioni di litio, dove la stabilità termica e la sicurezza sono di fondamentale importanza. Vengono inoltre utilizzati per il controllo qualità e il test delle prestazioni delle batterie.
Analisi termica e sicurezza: analizzando lo sviluppo di calore in diverse condizioni operative, i calorimetri per batterie aiutano a identificare e prevenire potenziali rischi per la sicurezza, come la fuga termica. Questo è fondamentale per la sicurezza dei prodotti degli utenti finali.
Ottimizzazione delle prestazioni della batteria: la misurazione accurata della generazione di calore consente di ottimizzare la chimica interna e il design della batteria, ottenendo una maggiore densità energetica, una migliore capacità di carica e una maggiore durata.
Ricerca e sviluppo: I calorimetri per batterie sono utilizzati nei laboratori di ricerca e sviluppo per testare e valutare nuovi materiali e tecnologie. I risultati ottenuti sono essenziali per il progresso della tecnologia delle batterie.
Sviluppato in collaborazione con la Physikalisch-Technische Bundesanstalt:
