İçindekiler
Batarya performansının anahtarı olarak termal davranış
Verimli ve uzun ömürlü pillerin geliştirilmesi, hücre bileşenlerinin termofiziksel özelliklerinin ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasını gerektirir. Özellikle
Geçici Sıcak Köprü Yöntemi: Teknik üstünlük
Bu THB-Yöntem, hücre bileşenlerinin termal özelliklerinin ölçülmesinin doğruluğunu çeşitli düzeylerde geliştirir ve geçici sıcak şerit (THS) veya klasik ısıtma teli yöntemleri gibi eski yöntemlere göre belirleyici avantajlar sunar. Mutlak bir ölçüm yöntemi olarak, referans sapmalarından kaynaklanan sistematik hataları ortadan kaldıran ek bir kalibrasyon veya referans ölçümü gerektirmez (Linseis Messgeräte GmbH, 2024).
Teknik tasarım ve ölçüm prensibi
THB yönteminin sensörü, iki poliimid folyo arasında nikelden yapılmış bir baskılı devre folyosu olarak gerçekleştirilmiştir. Düzen, paralel olarak düzenlenmiş ve bir Wheatstone köprüsü oluşturacak şekilde bağlanmış dört ısıtma şeridinden oluşur. Sabit sıcaklıkta, köprü doğal olarak dengelidir, yani kalibrasyon gerekmez.
THB ‘nin özellikle önemli bir avantajı, kenar etkilerinin telafi edilmesidir. Geleneksel ısıtma teli yöntemleri, bağlantılar veya kenar alanları yoluyla ısı kayıplarından etkilenirken, bu kenar etkileri THB ölçüm yöntemiyle ölçülür ve bu nedenle sonuçtan çıkarılabilir.
Yöntem, 0,01 ila 1000 W/(m*K) arasında geniş bir termal iletkenlik ölçüm aralığını kapsar ve aşağıdaki gibi uluslararası standartları karşılar ASTM D5930, ASTM D7896-19 ve ISO 22007-2Bu da karşılaştırılabilirliği ve kalite güvencesini garanti eder. Genellikle bir dakikadan kısa ölçüm süreleri özellikle avantajlıdır.
Batarya hücreleri için kritik termofiziksel parametreler
Birkaç termofiziksel parametre, şarj ve deşarj döngüleri sırasında NMC ve LFP hücrelerinin yaşlanması ve verimliliği için belirleyici öneme sahiptir:
Termal iletkenlik, ısının hücre içinde ne kadar verimli bir şekilde dağıtılabileceğini belirler. Yüksek termal iletkenlik , eşit sıcaklık dağılımı sağlar ve yüksek lokalize sıcaklıklara ve dolayısıyla hızlandırılmış yaşlanmaya neden olabilecek sıcak noktaları önler. Marconnet ve diğerleri (2024), yaşlanmaya bağlı olarak termal iletkenlikteki azalmanın Li-ion pillerin performansını ve güvenliğini doğrudan azalttığını göstermektedir – bazı durumlarda uzun yüksek sıcaklık yükleri ve birkaç bin döngüden sonra %75’e kadar.
Özgül ısı kapasitesi, bir hücre bileşeninin sıcaklık yükselene kadar ne kadar ısı emebileceğini tanımlar. Yüksek ısı kapasitesine sahip malzemeler sıcaklık dalgalanmalarını daha iyi tamponlar ve bu nedenle hızlı şarj/deşarj işlemleri sırasında hücre hasarını azaltabilir. Özgül ısı kapasitesi yaşlanma ve malzeme yorgunluğu nedeniyle değişebilir ve bu nedenle döngü sırasındaki sıcaklık profillerini etkiler.
Termal difüzivite, sıcaklık değişikliklerinin malzeme boyunca ne kadar hızlı yayıldığını gösterir. Düşük termal difüzivite, hücre içinde ataletle değişen sıcaklık bölgelerine yol açar – özellikle yüksek C oranlarında kritiktir, çünkü bu gibi durumlarda yerel olarak hızlandırılmış yaşlanmayı teşvik eden tehlikeli sıcaklık gradyanları oluşabilir.
Pratik uygulama örnekleri
Anot malzemesi karakterizasyonu
Özel bir uygulama örneği, ince bir bakır akım toplayıcısına uygulanan anot malzemesinin termal iletkenliğinin ölçülmesidir. Bu ölçümler, batarya termal yönetim sistemlerinin geliştirilmesi, optimizasyonu ve tasarımı için önemlidir. THB yöntemi, hem kaplamanın hem de alt tabaka malzemesinin bütünüyle karakterize edilmesini mümkün kılar.
Batarya üretiminde kalite kontrolü
Endüstriyel pil üretiminde, THB yöntemi hammaddelerin sürekli kalite kontrolü için kullanılır.
Yeni elektrot malzemelerinin geliştirilmesi
Yöntem, katılar ve sıvıların yanı sıra tozlar ve macunlar için de yüksek ölçüm doğruluğuna sahip sonuçlar verir ve bu da onu yenilikçi elektrot malzemelerinin geliştirilmesi için özellikle değerli kılar.
Malzemeye özgü hususlar ve yaşlanma etkileri
LFP hücreleri kimyasal kararlılıkları ve ılımlı sıcaklık bağımlılıkları ile bilinir, ancak döngüsel yükleme nedeniyle elektrotta meydana gelen mikroyapısal hasar, termal iletkenliği ve ısı kapasitesini önemli ölçüde bozabilir. NMC hücreleri genellikle termal özelliklerinde daha güçlü bir sıcaklık ve yaşlanma bağımlılığı gösterir, bu da termal yönetim ve malzeme karakterizasyonuna daha yüksek talepler getirir (Ali vd., 2023).
Katı elektrolitler daha fazla güvenlik potansiyeli sunar, ancak bazen düşük içsel termal iletkenlikleri sıcaklık homojenliği için yeni zorluklar ortaya çıkarır ve THB gibi özellikle hassas ve uzamsal olarak çözümlenmiş ölçüm yöntemleri gerektirir. Steinhardt ve arkadaşları (2022) güçlü sıcaklık artışlarının ve gradyanlarının hücrelerin hem yaşlanması hem de performansı üzerinde olumsuz bir etkisi olduğunu deneysel olarak doğrulamıştır.
Yöntemlerin karşılaştırılması: THB ile yerleşik yöntemlerin karşılaştırılması
Lazer Flaş Analizi (LFA) ile Karşılaştırma
THB ölçüm yöntemi, termal iletkenlik, termal difüzivite ve yoğunluk biliniyorsa özgül ısı kapasitesini sağlar. ile lazer flaş yöntemi sadece termal difüziviteyi sağlar. Ayrıca,
Avantajı LFA kapsanabilen -150 ila 2800°C arasındaki geniş sıcaklık aralığıdır. THB -150 ila 700°C sıcaklık aralığında kullanılabilir.
Geleneksel sıcak tel yöntemlerine göre avantajlar
Geleneksel sıcak tel yöntemleri, sistematik ölçüm hatalarına yol açabilen kenar etkilerinden ve kablo etkilerinden muzdariptir. THB bu sorunları şu şekilde ortadan kaldırır:
- Sınır etkilerinin ölçümü ve telafisi önemli ölçüde daha yüksek doğruluklar sağlar
- Köprü konfigürasyonu ölçüm cihazının kalibrasyonunu ve çalışmasını büyük ölçüde kolaylaştırır
Geleneksel sıcak tel yöntemlerine göre avantajlar
Geleneksel sıcak tel yöntemleri, sistematik ölçüm hatalarına yol açabilen kenar etkilerinden ve kablo etkilerinden muzdariptir. THB bu sorunları şu şekilde ortadan kaldırır:
- Sınır etkilerinin ölçümü ve telafisi önemli ölçüde daha yüksek doğruluklar sağlar
- Köprü konfigürasyonu ölçüm cihazının kalibrasyonunu ve çalışmasını büyük ölçüde kolaylaştırır
Batarya güvenliği için önemi
Termofiziksel özelliklerin hassas bir şekilde karakterize edilmesi, batarya güvenliğinin değerlendirilmesi için çok önemlidir. Düzenleyici makamlar, kötüye kullanım koşulları altındaki davranışı tahmin etmek için giderek daha fazla ayrıntılı termal modellere ihtiyaç duymaktadır. Standartlara uygun THB yöntemi, bu güvenlik değerlendirmeleri için gerekli temel verileri sağlar ve batarya ürünlerinin onaylanmasına katkıda bulunur.
Araştırma ve geliştirme için sonuç
Transient Hot Bridge yöntemi, kalibrasyonsuz, sınır etkisi dengelemeli ölçüm, büyük malzeme esnekliği ve kısa ölçüm süreleri sayesinde hücre bileşenlerinin termal özelliklerini kaydetme doğruluğunu en üst düzeye çıkarır. Sadece ilgili tüm termofiziksel parametrelerin hassas ve tekrarlanabilir ölçümleri sayesinde hücre malzemeleri verimli bir şekilde değerlendirilebilir, yeni tasarımlar geliştirilebilir ve kalite standartları günümüzde garanti altına alınabilir. Bu nedenle elektrotlar ve separatörlerden katı elektrolitlere kadar modern pil malzemelerinin karakterizasyonu ve optimizasyonu için laboratuvarda vazgeçilmez bir araçtır ve özellikle modern pil araştırma ve geliştirme ihtiyaçları için maksimum hassasiyet ve uygulama esnekliği sunar.
Bibliyografya
Ali, H. ve diğerleri. (2023). “Elektrikli araç uygulamaları için lityum-iyon bataryaların takvim yaşlanmasının değerlendirilmesi”. Enerji Araştırmalarında Sınırlar:
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2023.1152637/fullMarconnet, A. ve diğerleri. (2024). “Yaşlanmanın lityum-iyon pil elektrotlarının termofiziksel özellikleri üzerindeki etkisi”. Güç Kaynakları Dergisi:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775324003636Hammerschmidt, U. “Geçici Sıcak Köprü”. 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. ve diğerleri. (2022). “Lityum-İyon Pil Bileşenlerinin Termal İletkenliğinin Deneysel İncelenmesi” (arXiv’de Açık Erişimli Ön Baskı):
https://arxiv.org/abs/2203.12535
