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O comportamento térmico como chave para o desempenho da bateria
O desenvolvimento de baterias eficientes e de longa duração exige uma compreensão pormenorizada das propriedades termofísicas dos componentes das células. Particularmente na caraterização do
O método da ponte quente transiente: superioridade técnica
O THB -melhora a exatidão da medição das propriedades térmicas dos componentes da célula a vários níveis e oferece vantagens decisivas em relação a métodos mais antigos, como o método da tira quente transiente (THS) ou o método clássico do fio de aquecimento. Como método de medição absoluto, não requer calibração adicional ou medição de referência, o que elimina erros sistemáticos devido a desvios de referência (Linseis Messgeräte GmbH, 2024).
Conceção técnica e princípio de medição
O sensor do método THB é realizado como uma folha de circuito impresso feita de níquel entre duas folhas de poliimida. O esquema consiste em quatro tiras de aquecimento dispostas em paralelo e ligadas para formar uma ponte de Wheatstone. A uma temperatura constante, a ponte é inerentemente equilibrada, ou seja, não é necessária qualquer calibração.
Uma vantagem particularmente importante do THB é a compensação dos efeitos de borda. Enquanto os métodos convencionais de fios de aquecimento são afectados por perdas de calor através de conexões ou áreas de borda, esses efeitos de borda são medidos com o método de medição THB e podem, portanto, ser deduzidos do resultado.
O método abrange uma vasta gama de medições de condutividade térmica de 0,01 a 1000 W/(m*K) e cumpre as normas internacionais, tais como ASTM D5930 , ASTM D7896-19 e ISO 22007-2 o que garante a comparabilidade e a garantia de qualidade. Os tempos de medição curtos, frequentemente inferiores a um minuto, são particularmente vantajosos.
Parâmetros termofísicos críticos para células de bateria
Vários parâmetros termofísicos são de importância decisiva para o envelhecimento e a eficiência das células NMC e LFP durante os ciclos de carga e descarga:
A condutividade térmica determina a eficiência com que o calor pode ser dissipado dentro da célula. Uma condutividade térmica elevada assegura uma distribuição uniforme da temperatura e evita pontos quentes, que podem causar temperaturas localizadas elevadas e, consequentemente, um envelhecimento acelerado. Marconnet et al. (2024) mostram que a diminuição da condutividade térmica devido ao envelhecimento reduz diretamente o desempenho e a segurança das baterias de iões de lítio – em alguns casos, até 75% após longas cargas de alta temperatura e vários milhares de ciclos.
A capacidade térmica específica define a quantidade de calor que um componente da célula pode absorver até que a temperatura aumente. Os materiais com uma elevada capacidade térmica absorvem melhor as flutuações de temperatura e podem, por isso, reduzir os danos nas células durante os processos de carga/descarga rápida. A capacidade térmica específica pode mudar devido ao envelhecimento e à fadiga do material, influenciando assim os perfis de temperatura durante o ciclo.
A difusividade térmica indica a rapidez com que as alterações de temperatura se propagam através do material. Uma baixa difusividade térmica leva a zonas de temperatura inercialmente variável dentro da célula – particularmente crítica a taxas de C elevadas, uma vez que, nesses casos, se podem formar gradientes de temperatura perigosos, que promovem um envelhecimento localmente acelerado.
Exemplos de aplicações práticas
Caracterização do material do ânodo
Um exemplo de aplicação específica é a medição da condutividade térmica do material do ânodo aplicado a um coletor de corrente de cobre fino. Estas medições são importantes para o desenvolvimento, otimização e conceção de sistemas de gestão térmica de baterias. O método THB permite caraterizar tanto o revestimento como o material do substrato na sua totalidade.
Controlo de qualidade na produção de pilhas
Na produção industrial de pilhas, o método THB é utilizado para o controlo contínuo da qualidade das matérias-primas.
Desenvolvimento de novos materiais para eléctrodos
O método fornece resultados para sólidos e líquidos, bem como para pós e pastas, com elevada precisão de medição, o que o torna particularmente valioso para o desenvolvimento de materiais de eléctrodos inovadores.
Considerações específicas do material e efeitos do envelhecimento
As células LFP são conhecidas pela sua estabilidade química e dependência moderada da temperatura, mas os danos microestruturais no elétrodo devido à carga cíclica podem deteriorar significativamente a condutividade térmica e a capacidade térmica. As células NMC mostram frequentemente uma maior dependência da temperatura e do envelhecimento nas suas propriedades térmicas, o que impõe maiores exigências à gestão térmica e à caraterização dos materiais (Ali et al., 2023).
Os electrólitos sólidos oferecem o potencial para uma maior segurança, mas a sua condutividade térmica intrínseca, por vezes baixa, coloca novos desafios à homogeneidade da temperatura e exige métodos de medição particularmente precisos e espacialmente resolvidos, como a THB. Steinhardt et al. (2022) confirmam experimentalmente que os fortes aumentos e gradientes de temperatura têm um impacto negativo tanto no envelhecimento como no desempenho das células.
Comparação de métodos: THB versus métodos estabelecidos
Comparação com a análise de flash laser (LFA)
O método de medição THB fornece a condutividade térmica, a difusividade térmica e, se a densidade for conhecida, a capacidade térmica específica. Com o método
A vantagem do LFA reside na vasta gama de temperaturas de -150 a 2800°C que pode ser coberta. O THB pode ser utilizado na gama de temperaturas de -150 a 700°C.
Vantagens em relação aos métodos convencionais de fio quente
Os métodos tradicionais de fio quente sofrem efeitos de borda e influências do cabo que podem levar a erros de medição sistemáticos. O THB elimina estes problemas através de:
- A medição e compensação dos efeitos de contorno conduzem a precisões significativamente mais elevadas
- A configuração em ponte simplifica muito a calibração e o funcionamento do aparelho de medição
Vantagens em relação aos métodos convencionais de fio quente
Os métodos tradicionais de fio quente sofrem efeitos de borda e influências do cabo que podem levar a erros de medição sistemáticos. O THB elimina estes problemas através de:
- A medição e compensação dos efeitos de contorno conduzem a precisões significativamente mais elevadas
- A configuração em ponte simplifica muito a calibração e o funcionamento do aparelho de medição
Importância para a segurança das pilhas
A caraterização exacta das propriedades termofísicas é crucial para avaliar a segurança das baterias. As autoridades reguladoras exigem cada vez mais modelos térmicos pormenorizados para prever o comportamento em condições de abuso. O método THB, em conformidade com a norma, fornece os dados básicos necessários para estas avaliações de segurança e contribui para a aprovação dos produtos de bateria.
Conclusão para a investigação e desenvolvimento
O método Transient Hot Bridge maximiza a exatidão da medição das propriedades térmicas dos componentes das células através de medições livres de calibração e compensadas por efeito de contorno, elevada flexibilidade dos materiais e tempos de medição curtos. Só através de medições precisas e reprodutíveis de todos os parâmetros termofísicos relevantes é que os materiais das células podem ser avaliados de forma eficiente, novos designs desenvolvidos e padrões de qualidade garantidos atualmente. Para a caraterização e otimização de materiais de baterias modernas – desde eléctrodos e separadores a electrólitos sólidos – é, portanto, uma ferramenta indispensável no laboratório e oferece a máxima precisão e flexibilidade de aplicação especificamente para as necessidades da investigação e desenvolvimento de baterias modernas.
Bibliografia
Ali, H. et al. (2023). “Avaliação do envelhecimento do calendário das baterias de iões de lítio para aplicações em veículos eléctricos”. Frontiers in Energy Research:
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2023.1152637/fullMarconnet, A. et al. (2024). “Impacto do envelhecimento nas propriedades termofísicas dos eléctrodos de baterias de iões de lítio”. Jornal de Fontes de Energia:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775324003636Hammerschmidt, U. “Ponte quente transiente”. 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” (Investigação experimental da condutividade térmica de componentes de baterias de iões de lítio) (Open-Access Preprint on arXiv):
https://arxiv.org/abs/2203.12535
