Spis treści
Zachowanie termiczne jako klucz do wydajności baterii
Rozwój wydajnych i trwałych akumulatorów wymaga szczegółowego zrozumienia właściwości termofizycznych komponentów ogniw. Szczególnie w przypadku charakteryzowania fosforanu litowo-żelazowego (LFP), tlenku niklowo-manganowo-kobaltowego (NMC ) i elektrolitów stałych, precyzyjny pomiar parametrów termicznych ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia i kontrolowania mechanizmów starzenia oraz utraty wydajności podczas cykli ładowania i rozładowywania. Metoda
Metoda przejściowego gorącego mostka: wyższość techniczna
The THB -poprawia dokładność pomiaru właściwości termicznych komponentów ogniw na kilku poziomach i oferuje decydujące korzyści w porównaniu ze starszymi metodami, takimi jak przejściowe gorące paski (THS) lub klasyczne metody drutu grzejnego. Jako metoda pomiaru bezwzględnego nie wymaga dodatkowej kalibracji ani pomiaru referencyjnego, co eliminuje błędy systematyczne wynikające z odchyleń referencyjnych (Linseis Messgeräte GmbH, 2024).
Projekt techniczny i zasada pomiaru
Czujnik w metodzie THB jest wykonany jako folia obwodu drukowanego wykonana z niklu pomiędzy dwiema foliami poliimidowymi. Układ składa się z czterech pasków grzewczych ułożonych równolegle i połączonych w mostek Wheatstone’a. Przy stałej temperaturze mostek jest z natury zrównoważony, tj. nie jest wymagana kalibracja.
Szczególnie ważną zaletą THB jest kompensacja efektów krawędziowych. Podczas gdy konwencjonalne metody przewodów grzejnych są dotknięte stratami ciepła przez połączenia lub obszary krawędzi, te efekty krawędzi są mierzone za pomocą metody pomiarowej TH B i dlatego mogą być odjęte od wyniku.
Metoda ta obejmuje szeroki zakres pomiarów przewodności cieplnej od 0,01 do 1000 W/(m*K) i jest zgodna z międzynarodowymi normami, takimi jak ASTM D5930 , ASTM D7896-19 i ISO 22007-2 co gwarantuje porównywalność i zapewnienie jakości. Szczególnie korzystne są krótkie czasy pomiaru, często krótsze niż jedna minuta.
Krytyczne parametry termofizyczne ogniw akumulatorowych
Kilka parametrów termofizycznych ma decydujące znaczenie dla starzenia się i wydajności ogniw NMC i LFP podczas cykli ładowania i rozładowywania:
Przewodność ciepl na określa, jak skutecznie ciepło może być rozpraszane w ogniwie. Wysoka przewodność cieplna zapewnia równomierny rozkład temperatury i zapobiega powstawaniu gorących punktów, które mogą powodować wysokie lokalne temperatury, a tym samym przyspieszone starzenie. Marconnet et al. (2024) pokazują, że spadek przewodności cieplnej spowodowany starzeniem bezpośrednio zmniejsza wydajność i bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych – w niektórych przypadkach nawet o 75% po długich obciążeniach w wysokiej temperaturze i kilku tysiącach cykli.
Pojemność cieplna właściwa określa, ile ciepła może zaabsorbować element ogniwa do momentu wzrostu temperatury. Materiały o wysokiej pojemności cieplnej lepiej buforują wahania temperatury, a tym samym mogą zmniejszyć uszkodzenia ogniw podczas procesów szybkiego ładowania/rozładowywania. Specyficzna pojemność cieplna może się zmieniać w wyniku starzenia i zmęczenia materiału, a tym samym wpływać na profile temperatury podczas cyklu.
Dyfuzyjność cieplna wskazuje, jak szybko zmiany temperatury rozprzestrzeniają się w materiale. Niska dyfuzyjność termiczna prowadzi do bezwładnie zmieniających się stref temperaturowych w ogniwie – szczególnie krytycznych przy wysokich wartościach C, ponieważ w takich przypadkach mogą tworzyć się niebezpieczne gradienty temperatury, które sprzyjają miejscowo przyspieszonemu starzeniu.
Praktyczne przykłady zastosowań
Charakterystyka materiału anody
Konkretnym przykładem zastosowania jest pomiar przewodności cieplnej materiału anody nałożonego na cienki miedziany kolektor prądu. Pomiary te są ważne dla rozwoju, optymalizacji i projektowania systemów zarządzania temperaturą akumulatorów. Metoda THB umożliwia scharakteryzowanie zarówno powłoki, jak i materiału podłoża w całości.
Kontrola jakości w produkcji akumulatorów
W przemysłowej produkcji akumulatorów metoda THB jest wykorzystywana do ciągłej kontroli jakości surowców.
Opracowanie nowych materiałów elektrodowych
Metoda zapewnia wyniki dla ciał stałych i cieczy, a także proszków i past z wysoką dokładnością pomiaru, co czyni ją szczególnie cenną dla rozwoju innowacyjnych materiałów elektrodowych.
Względy specyficzne dla materiału i efekty starzenia
Ogniwa LFP są znane ze swojej stabilności chemicznej i umiarkowanej zależności od temperatury, ale mikrostrukturalne uszkodzenia elektrody spowodowane cyklicznym obciążeniem mogą znacznie pogorszyć przewodność cieplną i pojemność cieplną. Ogniwa NMC często wykazują silniejszą zależność właściwości termicznych od temperatury i starzenia, co stawia wyższe wymagania w zakresie zarządzania termicznego i charakterystyki materiałów (Ali i in., 2023).
Elektrolity stałe oferują potencjał zwiększonego bezpieczeństwa, ale ich czasami niska wewnętrzna przewodność cieplna stwarza nowe wyzwania dla jednorodności temperatury i wymaga szczególnie precyzyjnych i przestrzennie rozdzielonych metod pomiarowych, takich jak THB. Steinhardt et al. (2022) potwierdzają eksperymentalnie, że silne wzrosty i gradienty temperatury mają negatywny wpływ zarówno na starzenie się, jak i wydajność ogniw.
Porównanie metod: THB kontra ustalone metody
Porównanie z laserową analizą błysku (LFA)
Metoda pomiaru THB zapewnia przewodność cieplną, dyfuzyjność cieplną oraz, jeśli znana jest gęstość, pojemność cieplną właściwą. Z
Zaletą LFA jest duży zakres temperatur od -150 do 2800°C, który można pokryć. THB może być używany w zakresie temperatur od -150 do 700°C.
Zalety w porównaniu z konwencjonalnymi metodami gorącego drutu
Tradycyjne metody pomiaru gorącym drutem są podatne na efekty krawędziowe i wpływ kabli, które mogą prowadzić do systematycznych błędów pomiarowych. THB eliminuje te problemy poprzez:
- Pomiar i kompensacja efektów granicznych prowadzi do znacznie większej dokładności.
- Konfiguracja mostka znacznie upraszcza kalibrację i obsługę urządzenia pomiarowego
Zalety w porównaniu z konwencjonalnymi metodami gorącego drutu
Tradycyjne metody pomiaru gorącym drutem są podatne na efekty krawędziowe i wpływ kabli, które mogą prowadzić do systematycznych błędów pomiarowych. THB eliminuje te problemy poprzez:
- Pomiar i kompensacja efektów granicznych prowadzi do znacznie większej dokładności.
- Konfiguracja mostka znacznie upraszcza kalibrację i obsługę urządzenia pomiarowego
Znaczenie dla bezpieczeństwa baterii
Precyzyjna charakterystyka właściwości termofizycznych ma kluczowe znaczenie dla oceny bezpieczeństwa akumulatorów. Organy regulacyjne coraz częściej wymagają szczegółowych modeli termicznych do przewidywania zachowania w warunkach nadużywania. Zgodna z normami metoda THB zapewnia niezbędne podstawowe dane do oceny bezpieczeństwa i przyczynia się do zatwierdzenia produktów akumulatorowych.
Wnioski dotyczące badań i rozwoju
Metoda Transient Hot Bridge maksymalizuje dokładność rejestracji właściwości termicznych komponentów ogniw dzięki pomiarom bez kalibracji, z kompensacją efektu granicznego, dużej elastyczności materiałowej i krótkim czasom pomiaru. Tylko dzięki precyzyjnym, powtarzalnym pomiarom wszystkich istotnych parametrów termofizycznych można dziś skutecznie oceniać materiały ogniw, opracowywać nowe projekty i gwarantować standardy jakości. Do charakteryzacji i optymalizacji nowoczesnych materiałów akumulatorowych – od elektrod i separatorów po elektrolity stałe – jest to zatem niezbędne narzędzie w laboratorium, oferujące maksymalną precyzję i elastyczność zastosowań specjalnie na potrzeby nowoczesnych badań i rozwoju akumulatorów.
Bibliografia
Ali, H. et al. (2023). „Ocena kalendarzowego starzenia się akumulatorów litowo-jonowych do zastosowań w pojazdach elektrycznych”. Frontiers in Energy Research:
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2023.1152637/fullMarconnet, A. et al. (2024). „Wpływ starzenia na właściwości termofizyczne elektrod akumulatorów litowo-jonowych”. Journal of Power Sources:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775324003636Hammerschmidt, U. „Transient Hot Bridge”. Physikalisch Technische Bundesanstalt Braunschweig:
https://www.ptb.de/cms/de/ptb/fachabteilungen/abt01/fb-11/ag-113/waermetransport-in-festkoerpern/transient-hot-bridge-messverfahren.htmlSteinhardt, M. et al. (2022). „Experimental Investigation of the Thermal Conductivity of Lithium-Ion Battery Components” (Open-Access Preprint on arXiv):
https://arxiv.org/abs/2203.12535
