Liberta o potencial da análise de baterias - aplicações de baterias
Índice
Maximizar a eficiência e a segurança das baterias
Num mundo cada vez mais caracterizado pela dependência energética, as baterias desempenham um papel crucial num futuro sustentável. As nossas ferramentas analíticas precisas são concebidas para melhorar a eficiência e a segurança das baterias, prolongando simultaneamente a sua vida útil.
As tecnologias avançadas visam alargar os limites do que é possível na análise de baterias, contribuindo simultaneamente para um mundo mais ecológico. O objetivo é explorar a forma como as baterias podem ter um melhor desempenho, durar mais tempo e ser mais seguras.
Avanços e vantagens tecnológicas baseados no desenvolvimento de baterias para automóveis e telemóveis
Introdução à química celular das baterias
A química das células é o princípio fundamental por detrás do funcionamento e das caraterísticas de desempenho das baterias. Compreende uma interação complexa de processos electroquímicos e ciências dos materiais que formam a base para o armazenamento e libertação de energia.
Nesta interação, os principais componentes de uma pilha – cátodo, ânodo, eletrólito e separador – actuam de uma forma bem sintonizada para armazenar energia eléctrica e libertá-la novamente de forma eficiente.
O cátodo e o ânodo, as contrapartes electroquímicas de uma célula de bateria, determinam parâmetros-chave como a tensão da célula, a capacidade energética e a estabilidade do ciclo através das suas propriedades redox dependentes do material.
Os materiais para o cátodo, como os óxidos de lítio-cobalto ou o fosfato de lítio-ferro, e os materiais para o ânodo, incluindo os compósitos à base de grafite e silício, são objeto de intensa investigação, a fim de se obterem propriedades óptimas em termos de eficiência energética e densidade.
O eletrólito, um componente essencial para a transferência de iões entre o cátodo e o ânodo, influencia significativamente a dinâmica dos iões e, por conseguinte, o desempenho global da bateria.
O desenvolvimento de electrólitos inovadores que garantam uma transferência eficiente de iões e, ao mesmo tempo, aumentem a estabilidade térmica e química da bateria é uma área de investigação fundamental.
Isto inclui a investigação de formulações de electrólitos líquidos e sólidos. O separador, uma camada microporosa que separa espacialmente o cátodo e o ânodo, é crucial para evitar curto-circuitos internos.
A sua permeabilidade e integridade mecânica são cruciais para a segurança e longevidade da bateria. Um design avançado do separador ajuda a melhorar a difusão dos iões e minimiza o risco de desestabilização térmica.
As mais recentes abordagens de investigação em tecnologia de baterias, como o desenvolvimento de electrólitos de estado sólido e de baterias de lítio-enxofre, visam ultrapassar os limites das tecnologias convencionais de iões de lítio.
Ao contrário das baterias de iões de lítio convencionais, que utilizam electrólitos líquidos, os electrólitos de estado sólido consistem num material sólido que ainda pode conduzir iões.
Estes electrólitos de estado sólido eliminam muitas das desvantagens dos electrólitos líquidos, como o risco de fuga ou inflamabilidade.
As vantagens dos electrólitos de estado sólido incluem
1. Maior densidade energética: Ao utilizar electrólitos de estado sólido, a bateria pode armazenar mais energia numa área mais pequena, o que resulta numa maior densidade energética.
2. maior segurança: os electrólitos de estado sólido são normalmente não inflamáveis e, por conseguinte, reduzem o risco de incêndios nas baterias e de fuga térmica.
3. Maior duração: os electrólitos de estado sólido têm menos probabilidades de se degradarem com o tempo, o que resulta numa maior duração da bateria.
4. tempos de carregamento mais rápidos: Alguns electrólitos de estado sólido permitem um movimento mais rápido dos iões, o que pode levar a tempos de carregamento da bateria mais curtos.
Análise do cátodo por calorimetria diferencial de varrimento
O desempenho e a segurança das baterias de iões de lítio dependem em grande medida da qualidade e das propriedades dos seus componentes materiais.
A caraterização exacta destes componentes é, portanto, crucial para tornar as baterias mais eficientes, duráveis e seguras.
Os aparelhos de medição sofisticados desempenham um papel fundamental neste processo de otimização.
O cátodo, o ânodo, o separador e o eletrólito podem ser analisados em pormenor utilizando a vasta gama de produtos LINSEIS e dispositivos como o DSC, o calorímetro ou o acoplamento com um espetrómetro de massa para obter informações detalhadas sobre os processos que ocorrem durante a carga e descarga dos materiais de armazenamento.
Este conhecimento detalhado permite a otimização orientada destes componentes, o que pode aumentar significativamente a eficiência, a vida útil e a segurança das baterias.
- Cátodo: O cátodo desempenha um papel central nas pilhas, uma vez que determina diretamente a capacidade energética e, por conseguinte, o desempenho da pilha. É o pólo positivo da bateria e é o local onde os iões são absorvidos durante o processo de descarga, o que leva à libertação de energia.
- Composição do material: Os cátodos modernos são constituídos por vários compostos, como o óxido de lítio-cobalto (LiCoO2), o fosfato de lítio-ferro (LiFe-PO4), o óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC) e outros.
- Estrutura cristalina: A estrutura cristalina do material catódico desempenha um papel decisivo no desempenho da bateria. Influencia a mobilidade dos iões no interior do material e, por conseguinte, a velocidade de carga e descarga.
- Estabilidade eletroquímica: A estabilidade eletroquímica do cátodo é decisiva para a vida útil da bateria. Os materiais com elevada estabilidade eletroquímica são menos propensos a reacções de redução da capacidade durante o ciclo de carga/descarga.
- Química da superfície: A química da superfície do material do cátodo pode influenciar a interação com o eletrólito, afectando assim o desempenho e a estabilidade da bateria. A otimização da química da superfície pode ajudar a melhorar a densidade energética e a estabilidade do ciclo.
- Condutividade térmica A condutividade térmica do cátodo nas baterias é crucial para a gestão térmica, de modo a evitar o sobreaquecimento e potenciais riscos de segurança. A elevada condutividade térmica permite a dissipação eficiente do calor gerado durante o funcionamento, mantendo a temperatura estável e evitando o aumento descontrolado da temperatura, como a fuga térmica. Por conseguinte, a seleção de materiais e estruturas catódicas com boa condutividade térmica é crucial para o desempenho e a segurança dos sistemas de baterias.
Análise TGA do fosfato de lítio e ferro (LiFePO4) para caraterizar o cátodo
Um exemplo notável da utilização de TGA é a investigação do fosfato de lítio e ferro (LiFePO4), um material catódico amplamente utilizado em baterias de iões de lítio.
O LiFePO4 é conhecido pela sua elevada estabilidade térmica e segurança. Na análise TGA, uma amostra de LiFePO4 é aquecida de forma controlada para avaliar a sua estabilidade térmica e composição.
Durante o processo de aquecimento, as alterações no peso da amostra são medidas com precisão, a fim de obter informações sobre os processos de decomposição térmica. Estes dados são cruciais para compreender as propriedades térmicas do material, o que é de grande importância para aplicações em áreas como a electromobilidade ou o armazenamento estacionário de energia.
Os resultados da TGA fornecem informações importantes sobre a estabilidade do material do cátodo em condições de funcionamento. Por exemplo, ao analisar as temperaturas de decomposição do LiFePO4, é possível tirar conclusões sobre a vida útil e a segurança da bateria em diferentes condições de funcionamento.
Isto permite uma otimização orientada da composição do material e da conceção da célula, a fim de melhorar o desempenho global e a segurança da bateria. A caraterização precisa dos materiais catódicos através da análise termogravimétrica é, portanto, um passo indispensável para aumentar o desempenho e a segurança das baterias de iões de lítio. Estas análises contribuem significativamente para um maior desenvolvimento e otimização desta tecnologia fundamental.
- Ânodo: Nas baterias, o ânodo actua como o pólo negativo e é largamente responsável pela velocidade de carregamento e pela capacidade da bateria. Durante o processo de carregamento, os iões do cátodo são armazenados no ânodo, pelo que este desempenha um papel fundamental no armazenamento e libertação destes iões.
- Seleção do material: Tradicionalmente, a grafite tem sido utilizada como material anódico devido à sua capacidade de armazenar iões de forma eficiente. No entanto, a investigação recente está a explorar materiais alternativos como o silício, o titanato de lítio e vários nanomateriais de carbono que podem oferecer maior capacidade e velocidades de carregamento mais rápidas.
- Estrutura da superfície e porosidade: A microestrutura e a porosidade dos materiais do ânodo são cruciais para o armazenamento de iões. Uma estrutura optimizada permite uma mobilidade eficiente dos iões e contribui para uma maior capacidade de carga.
- Estabilidade eletroquímica: A estabilidade dos materiais do ânodo durante os ciclos de carga/descarga é essencial para a vida útil da bateria. Os materiais que são resistentes à degradação eletroquímica melhoram a estabilidade do ciclo da bateria.
- Interação com o eletrólito: A interação química entre o material do ânodo e o eletrólito influencia o desempenho da bateria. A compatibilidade optimizada reduz as reacções secundárias indesejadas que podem levar a uma redução da capacidade.
Análise STA de materiais de ânodo de grafite
Um exemplo concreto da aplicação do STA é a investigação de materiais de ânodo de grafite. A grafite é frequentemente utilizada em baterias de iões de lítio e é conhecida pela sua capacidade de armazenar iões de lítio de forma eficiente.
No STA, o material do ânodo de grafite é sujeito a análise térmica diferencial(DTA) e termogravimetria (TGA) ao mesmo tempo. Esta análise combinada fornece informações valiosas sobre as reacções térmicas e de mudança de massa do material durante o aquecimento.
O componente DTA mede o fluxo de calor para identificar eventos endotérmicos e exotérmicos, enquanto o TGA regista a perda de peso do material, o que permite tirar conclusões sobre as temperaturas e processos de decomposição.
Esta análise abrangente pode fornecer informações críticas sobre a estabilidade do material do ânodo em diferentes condições de funcionamento. Por exemplo, a identificação da temperatura a que a grafite começa a oxidar permite otimizar o sistema de gestão da bateria para evitar o sobreaquecimento e aumentar a vida útil da bateria.
Além disso, ao analisar a expansão e contração térmicas da grafite durante a intercalação do ião de lítio, é possível obter informações sobre a estabilidade estrutural do material e a sua influência na estabilidade do ciclo.
A intercalação de iões de lítio no material do ânodo de grafite é um processo em que o lítio se deposita entre as camadas de grafite, resultando numa alteração de volume. Esta alteração de volume pode ser determinada com precisão utilizando a dilatometria, um método para medir a alteração do comprimento dos materiais em função da temperatura.
Um dilatómetro é o dispositivo de medição que regista a expansão e contração térmicas da grafite durante a intercalação do lítio, fornecendo assim informações sobre a estabilidade estrutural do material do ânodo.
A utilização da análise térmica simultânea para analisar os materiais do ânodo é também um passo essencial para aumentar a eficiência e a vida útil das baterias de iões de lítio.
Estas análises aprofundadas são cruciais para o desenvolvimento de materiais optimizados para os requisitos das modernas tecnologias de baterias.
- Separador: Nas baterias, o separador desempenha uma função de segurança crucial, nomeadamente no que diz respeito ao risco de curto-circuitos e fugas térmicas. É uma membrana microporosa que é colocada entre o cátodo e o ânodo para evitar o contacto direto e, consequentemente, curtos-circuitos eléctricos entre os eléctrodos. Ao mesmo tempo, permite o fluxo de iões entre o cátodo e o ânodo durante o ciclo de carga e descarga.
- Permeabilidade aos iões: O separador deve ter uma elevada permeabilidade aos iões para permitir uma transferência eficiente dos mesmos. Isto é crucial para o desempenho geral da bateria.
- Estabilidade térmica e mecânica: O separador deve ser térmica e mecanicamente estável nas condições de funcionamento da bateria. Uma estabilidade térmica insuficiente pode levar à fusão do separador e, consequentemente, a um curto-circuito, o que representa um elevado risco de segurança.
- Revestimentos cerâmicos: Os separadores modernos são frequentemente revestidos com partículas de cerâmica para melhorar a estabilidade térmica. Estes revestimentos aumentam a integridade da fusão e a robustez mecânica do separador, especialmente a altas temperaturas, o que aumenta significativamente a segurança da bateria. A integridade da fusão de um separador de bateria pode ser analisada utilizando um analisador termomecânico ( TMA) para garantir que o separador não falha mecanicamente ou se rompe, o que pode levar à fuga térmica da bateria.
- Métodos de análise: É utilizado um método de medição eletromecânico para avaliar as propriedades dos separadores. Estes métodos podem fornecer informações sobre a alteração do tamanho do separador em diferentes condições de funcionamento e sobre a temperatura a que o separador começa a falhar.
- Papel na prevenção da fuga térmica: Um separador eficiente e seguro é crucial para minimizar o risco de fuga térmica. Tem de manter um efeito de barreira suficiente, mesmo quando a bateria é exposta a temperaturas extremas.
Medição TMA de membranas separadoras revestidas
Um exemplo relevante da aplicação da análise termomecânica (TMA) é a investigação de membranas separadoras revestidas com partículas cerâmicas. Este revestimento pode aumentar significativamente a segurança das baterias, melhorando a integridade de fusão e a robustez mecânica do separador acima do seu ponto de fusão.
A análise termomecânica (TMA) dos separadores de baterias envolve principalmente a medição da reação física do material às alterações relacionadas com a temperatura. As principais variáveis medidas neste caso são a expansão ou contração (alongamento ou retração) do material do separador em função da temperatura.
A medição da TMA inclui os seguintes aspectos:
- Medição dos coeficientes de expansão: O TMA mede a forma como a membrana do separador se altera fisicamente sob condições de temperatura controlada. Isto inclui a expansão ou contração linear do material com as alterações de temperatura, o que fornece informações sobre os coeficientes de expansão térmica.
- Avaliação da integridade mecânica: A medição do alongamento ou contração do separador a diferentes temperaturas permite a avaliação da sua integridade mecânica. Isto é crucial para compreender como o separador reage sob as condições térmicas de funcionamento da bateria.
- Determinação do ponto de fusão: Para além da expansão, a TMA também pode ser utilizada para determinar o ponto de fusão do material do separador. O ponto de fusão é uma temperatura crítica à qual o separador começa a perder a sua integridade estrutural, o que pode levar a riscos de segurança.
- Eletrólito: Nas baterias, o eletrólito é um elemento essencial para o transporte de iões entre o cátodo e o ânodo. No caso mais comum, consiste numa solução de sal de lítio num solvente orgânico e permite o movimento dos iões de lítio durante o processo de carga e descarga da bateria.
- Condutividade iónica: A condutividade do eletrólito é crucial para a eficiência da transferência de iões entre os eléctrodos. Uma condutividade iónica elevada permite um carregamento e descarregamento rápidos da bateria e melhora o desempenho geral
- Composição química: A composição química do eletrólito, em particular o tipo de sal de lítio e de solvente, influencia as propriedades electroquímicas da bateria. A escolha dos componentes tem uma influência direta em factores como a tensão de funcionamento, a estabilidade da temperatura e a segurança da bateria.
- Estabilidade eletroquímica: O eletrólito deve ser electroquimicamente estável para evitar a decomposição nas tensões de funcionamento da bateria. Uma composição instável do eletrólito pode levar a reacções secundárias indesejáveis que prejudicam o desempenho e a vida útil da bateria.
- Interação com os materiais dos eléctrodos: A interação do eletrólito com os materiais dos eléctrodos é crucial para a estabilidade a longo prazo da bateria. Uma interação óptima minimiza a formação de camadas superficiais prejudiciais nos eléctrodos, conhecidas como “interfase de eletrólito sólido” (SEI).
- Estabilidade térmica: A estabilidade térmica do eletrólito de uma bateria é um fator crítico que influencia significativamente a segurança operacional e o desempenho das baterias. Uma elevada estabilidade térmica do eletrólito assegura a manutenção da integridade química do eletrólito e, consequentemente, da condutividade iónica, mesmo com temperaturas de funcionamento crescentes ou cargas térmicas externas. A medição da estabilidade térmica, normalmente realizada através de um calorímetro de varrimento diferencial dinâmico (DSC) ou de uma análise termogravimétrica (TGA), permite identificar os limites de temperatura dentro dos quais o eletrólito é estável e não liberta quaisquer produtos de decomposição perigosos. Isto é essencial para minimizar os riscos de segurança, como a fuga térmica, e para garantir um ambiente de funcionamento seguro para a bateria.
Medição TGA-MS de electrólitos
Um exemplo concreto da aplicação da TGA é a investigação da estabilidade térmica e da composição de electrólitos em baterias de iões de lítio.
Nesta medição, o eletrólito é exposto a um aumento controlado da temperatura, a fim de analisar a sua decomposição térmica e a perda de peso resultante.
Estes dados são particularmente úteis para compreender a estabilidade do eletrólito em diferentes condições de funcionamento.
Por exemplo, a temperatura de decomposição do eletrólito pode fornecer informações sobre as temperaturas a que a bateria pode ser operada com segurança sem o risco de degradação térmica do eletrólito. A degradação térmica do eletrólito é um processo no qual o eletrólito se decompõe sob a influência de temperaturas elevadas.
Isto pode ser crítico por várias razões:
1. Temperatura de decomposição: A determinação da temperatura de decomposição do eletrólito fornece informações sobre as temperaturas a que a bateria pode ser utilizada com segurança. A temperatura de decomposição é o limiar a partir do qual o eletrólito começa a sofrer alterações químicas e a degradar-se.
2. risco de degradação térmica: Se a temperatura de decomposição for ultrapassada, o eletrólito pode tornar-se instável e sofrer reacções químicas que prejudicam o desempenho e a segurança da bateria. Isto pode também levar à formação de gases e a um potencial aumento da pressão no interior da célula da bateria.
3. Efeitos no desempenho da bateria: A degradação térmica do eletrólito pode levar a uma redução da condutividade iónica e, consequentemente, a uma diminuição da eficiência da bateria. Além disso, a degradação do eletrólito pode levar à formação de produtos nocivos que afectam as superfícies dos eléctrodos.
4 Aspectos de segurança: A estabilidade térmica do eletrólito é crucial para a segurança global da bateria. A degradação térmica pode aumentar o risco de fuga térmica, especialmente se reagir com outros componentes da bateria.
Além disso, a TGA-MS pode ser utilizada para determinar a composição do eletrólito, incluindo o conteúdo de solventes e outros aditivos.
Esta informação é crucial para otimizar as propriedades de transporte de iões do eletrólito, o que, por sua vez, pode influenciar positivamente a eficiência e a vida útil da bateria.
A caraterização precisa do eletrólito através da análise termogravimétrica fornece resultados essenciais para o desenvolvimento de baterias mais potentes e seguras. Os dados obtidos a partir destas análises permitem uma otimização orientada dos componentes da bateria, o que conduz a um melhor desempenho global da bateria.
Cada um destes componentes contribui significativamente para o desempenho global e para a segurança de uma bateria de iões de lítio. A caraterização precisa dos dispositivos de medição da Linseis permite a otimização orientada destes componentes, o que pode aumentar significativamente a eficiência, a vida útil e a segurança das baterias.
Prevenção da fuga térmica – a segurança em primeiro lugar
A fuga térmica, um aumento descontrolado da temperatura nas baterias, pode levar a graves problemas de segurança.
Os analisadores utilizados para investigar a estabilidade térmica e mecânica dos materiais das baterias são cruciais para minimizar os riscos de tal evento. Fornecem informações precisas sobre a estabilidade térmica dos materiais das baterias e ajudam a identificar potenciais fontes de perigo.
A fuga térmica ocorre quando a temperatura no interior de uma célula de bateria atinge um ponto em que o calor gerado é superior ao calor libertado. Isto pode levar a uma reação em cadeia que destrói a bateria ou até provoca incêndios. É importante compreender as causas da fuga térmica e tomar as medidas adequadas para minimizar o risco.
- Deteção precoce com DSC e TGA: A deteção precoce de condições que possam levar a uma fuga térmica é crucial. Instrumentos como o
Calorímetro Exploratório Diferencial
- Analisa as causas: A análise das causas de uma fuga térmica envolve a investigação das composições dos materiais, da estabilidade dos electrólitos e das reacções internas das células. Estas análises fornecem informações valiosas para identificar potenciais factores de risco e desenvolver contramedidas adequadas.
- Avaliação da segurança: Ao medir a produção e a gestão do calor, os instrumentos podem avaliar os padrões de segurança das baterias. Isto é particularmente importante no desenvolvimento de baterias para aplicações de alto desempenho, como veículos eléctricos ou sistemas de armazenamento de energia.
- Otimização de materiais: Os resultados da análise apoiam a seleção e o desenvolvimento de materiais que são menos susceptíveis à fuga térmica. Isto contribui para melhorar a segurança geral, otimizar a dissipação de calor da célula da bateria e a fiabilidade da bateria.
- Otimização dos electrólitos: A otimização da composição do eletrólito é outro aspeto importante que é apoiado por instrumentos precisos. Uma formulação melhorada do eletrólito com base em dados analíticos pode ajudar a aumentar a estabilidade térmica dentro da célula, o que, por sua vez, aumenta a segurança da bateria.
- Otimização do design da célula: A otimização do design da célula para evitar a fuga térmica requer uma gestão térmica integrada baseada numa seleção cuidadosa de materiais que regulem eficazmente a dissipação e absorção de calor. Os materiais do ânodo e do cátodo cientificamente selecionados com elevadas condutividades térmicas, bem como os separadores e electrólitos termicamente estáveis, são cruciais para evitar a produção excessiva de calor. Além disso, mecanismos avançados de arrefecimento e materiais de isolamento contribuem para a distribuição e o isolamento do calor, evitando o sobreaquecimento local e homogeneizando a temperatura da célula. Uma conceção bem pensada da célula que tenha em conta estes componentes contribui significativamente para aumentar a segurança da bateria e minimizar o risco de fuga térmica.
- Medidas preventivas através da caraterização do material: A implementação de medidas preventivas com base nos resultados da análise é um passo decisivo para minimizar o risco de uma fuga térmica. Isto inclui a otimização do design da célula, a melhoria do sistema de gestão da bateria e o desenvolvimento de mecanismos de segurança.
Gestão térmica – minimização de riscos e gestão térmica optimizada para uma maior vida útil e eficiência
A regulação eficiente da temperatura de funcionamento é um fator decisivo para o desempenho e a longevidade das baterias. Ajuda a minimizar a degradação dos componentes da bateria e a prolongar a sua vida útil global.
As baterias de iões de lítio estabeleceram-se como o padrão para a eletrónica portátil, veículos eléctricos e sistemas de armazenamento de energia, principalmente devido à sua elevada densidade energética e estabilidade do ciclo de carga.
A temperatura de funcionamento é crucial para a eficiência e longevidade destas baterias, sendo a temperatura óptima entre cerca de 15°C e 35°C.
As temperaturas acima desta gama aceleram a degradação química, aumentam o risco de fuga térmica e podem levar à perda permanente de capacidade.
Por outro lado, as temperaturas demasiado baixas prejudicam a difusão dos iões e aumentam a resistência interna, o que reduz o desempenho da bateria e aumenta o risco de revestimento de lítio durante o carregamento.
Por conseguinte, é essencial manter uma temperatura de funcionamento adequada para garantir o máximo desempenho, segurança e vida útil da bateria.
Vários métodos de gestão térmica, como o arrefecimento ativo ou o arrefecimento líquido indireto, são cruciais para manter a temperatura de funcionamento no intervalo ideal e, assim, garantir o desempenho e a segurança das baterias de iões de lítio.
Complexidade da gestão térmica nas tecnologias de baterias
- A gestão térmica nos sistemas de baterias modernos desempenha um papel decisivo no desempenho, segurança e vida útil. Envolve a regulação precisa das condições de temperatura interna para garantir uma funcionalidade óptima.
- Um aumento descontrolado da temperatura pode levar a danos irreversíveis devido à degradação química, enquanto que temperaturas demasiado baixas podem prejudicar a condutividade iónica e, consequentemente, o desempenho da bateria.
- A gestão térmica equilibrada não só garante a eficiência, como também a longevidade e a segurança das baterias, especialmente em aplicações de alto desempenho, como veículos eléctricos e sistemas de armazenamento de energia.
Instrumentos analíticos para propriedades de transferência de calor
- São utilizados instrumentos analíticos avançados para analisar as propriedades térmicas dos materiais das baterias. O analisador de flash a laser ( LFA ), o Transient Hot Bridge ( THB ) e o Aquecimento Periódico a Laser ( PLH ).
- O LFA permite a medição da condutividade e difusividade térmicas, que são cruciais para a transferência de calor dentro dos componentes da bateria.
- O Transient Hot Bridge (THB L56) expande o espetro da análise térmica ao medir a condutividade térmica e a resistência térmica dos materiais da bateria em condições reais de funcionamento.
- O aquecimento periódico a laser (PLH L53) é um método inovador para a caraterização rápida e precisa da condutividade térmica e da capacidade térmica específica. É essencial para uma análise térmica precisa e para o desenvolvimento de materiais de bateria com propriedades térmicas superiores.
Importância do testador TIM (TIM L58) para uma transferência de calor eficiente
- O Testador de materiais de interface térmica (TIM) (TIM L58) é especializado na avaliação dos materiais utilizados nas interfaces entre as células da bateria e os componentes de refrigeração. Também pode medir a impedância térmica, o que permite otimizar a gestão térmica dos conjuntos de células.
- Mede com precisão a condutividade térmica e a resistência térmica destes materiais para garantir uma transferência de calor óptima das baterias para a caixa ou dissipador de calor.
- Os materiais de interface eficientes, identificados e optimizados pelo testador TIM, são essenciais para evitar o sobreaquecimento das células e contribuem significativamente para melhorar o desempenho global da bateria.
Visualização e interpretação de dados térmicos
- A visualização dos dados obtidos a partir destas análises permite uma interpretação aprofundada das propriedades térmicas dos materiais da bateria.
- Os diagramas que mostram a condutividade térmica ou a capacidade de calor específica em diferentes gamas de temperatura fornecem uma visão abrangente da gestão térmica das baterias.
A gestão térmica eficaz, apoiada por medições e análises precisas dos instrumentos da Linseis, é essencial para maximizar o desempenho, a segurança e a vida útil das baterias modernas.
Através da inovação contínua nesta área, estamos a ajudar a melhorar ainda mais a fiabilidade e a eficiência da tecnologia das baterias.
A figura mostra uma medição em que os testes da bateria LFA foram realizados num material de cátodo de iões de Na. A difusividade térmica e a condutividade térmica atingem um máximo a cerca de 90 °C e depois diminuem de forma relativamente acentuada.
Estabilidade térmica – um fator chave para baterias fiáveis
A estabilidade térmica dos materiais das baterias é um fator crucial para a segurança e fiabilidade das baterias de iões de lítio. O equipamento de medição de última geração da Linseis desempenha um papel central na avaliação e melhoria desta importante propriedade.
A capacidade de avaliar com precisão a estabilidade térmica dos materiais das baterias é fundamental para garantir que as baterias modernas cumpram os elevados requisitos de segurança e desempenho. Os dispositivos de medição da Linseis fornecem a precisão e a fiabilidade necessárias para avaliar de forma abrangente esta importante propriedade.
A figura abaixo mostra uma curva de medição DSC de um eletrólito sólido cerâmico que é utilizado em baterias de estado sólido e permite baterias de alta energia mais seguras. É necessário um tratamento térmico a alta temperatura para unir o eletrólito, os eléctrodos e outros componentes, como os colectores de corrente.
Caracterização de dispositivos – Precisão na investigação de baterias com o calorímetro de baterias
Um calorímetro de bateria é um dispositivo para medir o calor gerado por uma bateria durante o carregamento e o descarregamento. Esta medição é conhecida como o “calor de reação” e é um indicador importante do desempenho de uma bateria. O calor de reação é a diferença entre a entalpia (conteúdo de calor) dos reagentes e dos produtos de uma reação química.
Os calorímetros de baterias são utilizados na investigação e desenvolvimento para avaliar novas químicas de baterias e otimizar a conceção das baterias existentes. Também são utilizados no processo de fabrico para garantir que as baterias cumprem as normas de desempenho e segurança.
Para a monitorização térmica de baterias, a Linseis oferece um calorímetro modular calorímetro modular (IBC L91) está disponível. É constituído por um número variável de componentes quase idênticos e permite analisar uma vasta gama de tamanhos de células de bateria. A geometria dos módulos também é facilmente escalável.
Importância do calorímetro de bateria: O calorímetro de bateria mede a quantidade de calor gerado durante as reacções electroquímicas dentro da bateria. Estas medições são cruciais para compreender e melhorar o comportamento térmico e a eficiência das baterias.
Áreas de aplicação: Estes dispositivos são particularmente importantes para o desenvolvimento de novos tipos de baterias, como as baterias de iões de lítio, em que a estabilidade térmica e a segurança são de extrema importância. São também utilizados no controlo de qualidade e nos testes de desempenho das baterias.
Análise térmica e segurança: Ao analisar o desenvolvimento de calor em diferentes condições de funcionamento, os calorímetros de bateria ajudam a identificar e a prevenir potenciais riscos de segurança, como a fuga térmica. Isto é crucial para a segurança dos produtos do utilizador final.
Otimização do desempenho da bateria: A medição exacta da produção de calor permite otimizar a química interna e a conceção da bateria, o que resulta num aumento da densidade energética, numa melhor capacidade de carga e numa vida útil mais longa.
Investigação e desenvolvimento: Os calorímetros para baterias são utilizados em laboratórios de investigação e desenvolvimento para testar e avaliar novos materiais e tecnologias. Os resultados obtidos são essenciais para o progresso da tecnologia de baterias.
Desenvolvido em conjunto com o Physikalisch-Technische Bundesanstalt:
