Virtual Vehicle Research GmbH se ZwickRoell optimalizují bezpečnost baterií
Případová studie
- Zákazník: Virtual Vehicle Research GmbH
- Místo: Graz, Rakousko
- Oblast použití: Automobilový průmysl
- Případ: Testování bezpečnosti baterií: stanovení mechanických vlastností součástí bateriových článků pro parametrizaci simulačních modelů pro konečné součásti článků
Červenec 2024
Společnost Virtual Vehicle Research GmbH využívá technologii ZwickRoell pro stanovení parametrů pro modely simulace konečných součástí článků, které přesně popisují chování materiálů součástí článků v případě deformace. Praktické využití: Tyto modely se používají k předvídání vnitřních zkratů, a tím zvyšují bezpečnost baterií. Výsledky mechanických zkoušek tvoří základ pro simulaci zkoušek bateriových článků při nárazovém zatížení.
Společnost Virtual Vehicle Research GmbH provádí výzkum pro budoucnost mobility
Virtual Vehicle Research GmbH je mezinárodní centrum pro výzkum a vývoj, které se specializuje na technologie vozidel a mobilitu budoucnosti. Společnost byla založena ve městě Graz v Rakousku a spolupracuje s průmyslovými partnery, univerzitami a výzkumnými institucemi na vývoji inovativních technologií a metod. Specializuje se na digitalizaci a virtualizaci vývojových procesů, bezpečnost a efektivitu vozidel i udržitelnou mobilitu.
Mezi klíčové kompetence Virtual Vehicle Research GmbH patří simulace a validace součástí vozidel, vývoj asistenčních systémů a optimalizace pohonných jednotek. Tím, že se zaměřuje na interdisciplinární výzkum a praktická řešení, tato společnost významně přispívá k dalšímu rozvoji automobilového průmyslu a podporuje transformaci směrem k inteligentním a ekologickým konceptům mobility.
Kompetence ZwickRoell v oblasti testování bezpečnosti baterií nejvyšší úrovně
- Reprodukovatelné výsledky zkoušek bezpečnosti baterií
- Přesnost a spolehlivost měření zkušebních strojů
- Vysoká efektivita
- Skvělá komunikace s partnery v rámci projektu
- Pečlivost při manipulaci s komponenty
- Inovativní produkty a řešení
Zadání
Bateriové články: Stanovení charakteristických vlastností mechanických součástí v reálných podmínkách
Lithium-iontové baterie (LIB) obsahují kapalný organický elektrolyt, který je toxický a hořlavý. Tento elektrolyt umožňuje tok iontů mezi elektrodami, a je proto nezbytnou součástí pro zajištění funkčnosti těchto baterií. Elektrolyty jsou v podstatě založeny na vodivé soli (obvykle hexafluorfosforečnan lithný), která je rozpuštěna v různých organických uhličitanech, jako je ethylenkarbonát (EC) nebo dimethylkarbonát (DMC).
Pro vytvoření reálných podmínek pro zkoušky těchto materiálů bylo pro společnost Virtual Vehicle Research GmbH důležité testovat komponenty ve stavu smáčeném elektrolytem. Aby byly dodrženy bezpečnostní předpisy v laboratoři, byl pro tento účel použit náhradní elektrolyt, který nevyžaduje hexafluorofosfát lithia (LiPF6).
Hlavním úkolem společnosti ZwickRoell bylo mechanicky stanovit charakteristické vlastnosti všech jednotlivých součástí bateriového článku za reálných podmínek. Jednou z hlavních výzev bylo upnutí vzorků smáčených elektrolytem, jako je separátor, který je obvykle velmi tenký (cca 20 µm) a pružný. To vyžadovalo především zručnost a trpělivost.
Řešení ZwickRoell pro testování bezpečnosti baterií
Zkoušky tahem a tlakem pro mechanické stanovení charakteristických vlastností
V první řadě bylo zapotřebí připravit vhodné vzorky součástí článků. Pomocí vysekávacího nástroje vyrobila společnost ZwickRoell pravoúhlé vzorky. Velmi důležitou součástí byl separátor s keramickým povlakem. Má totiž zásadní roli při prevenci zkratu. Úkolem separátoru je oddělit elektrody od sebe jak elektricky, tak i prostorově. Vzorky separátorů byly testovány jednak v suchém stavu, jednak ve stavu nasáklém elektrolytem (tzv. „mokrém“). Díky těmto zkouškám bylo možné prokázat rozdílné chování separátorů při poruše.
Vzorky pro zkoušky tlakem se skládaly z celkem 100 jednotlivých vrstev uložených na sobě. Důvodem tohoto postupu je, že se zvýší přesnost měření změny délky při zkoušce. Pro uzavření mezer mezi vrstvami se aplikuje předběžné zatížení. Aby byla zajištěna reprodukovatelnost výsledků, bylo provedeno celkem pět zkoušek pro každou konfiguraci zkoušky.
Pro zkoušky byl použit stroj ZwickRoell Z100 AllroundLine se snímačem síly Xforce 100 kN. Při zkouškách tlakem byl pro měření posunu použit systém pro měření deformace se zohledněním tuhosti samotného stroje. Pro měření deformace při tahových zkouškách byl použit videoextenzometr.
„Zvláštní zmínku si zaslouží komplexní a profesionálně zpracovaný protokol o zkoušce, který je k dispozici současně se zkušebními daty. Je v něm popsáno pečlivé zacházení s jednotlivými součástmi baterie a demonstruje také vysokou přesnost zkušebních strojů. Navzdory velkým výzvám při manipulaci s jednotlivými velmi tenkými komponenty článků při smáčení elektrolytem, kdy tento stav napodobuje reálné podmínky použití, dokázali zkušební technici společnosti ZwickRoell zajistit reprodukovatelné a spolehlivé výsledky zkoušek.“
Dr. Patrick Kolm, vedoucí výzkumný pracovník │ Bezpečnost baterií při nárazu
Výsledek
Poznatky o chování separátorů při mechanické deformaci
Zkoušky tahem:
Na obrázku 1 je znázorněn kromě vlivu rychlosti tahu (10 mm/min, 100 mm/min a 500 mm/min) také vliv elektrolytu na vzorky separátorů, u kterých byla jako příklad provedena zkouška v příčném směru. Při testování v tzv. „mokrém“ stavu byly separátory bezprostředně před zkouškou odebrány z náhradní lázně elektrolytu (směs diethylenkarbonátu a ethylenkarbonátu). Výsledky zkoušek jasně ukazují, že „mokré“ vzorky separátorů mají vyšší tuhost než „suché“ vzorky.
Obecně lze konstatovat, že separátory napuštěné elektrolytem s keramickým povlakem vykazují větší tuhost při namáhání tahem. Potažením separátoru Al2O3 se na povrchu vytvoří drsná a porézní struktura. Jedním z možných důvodů vyšší odolnosti vůči deformacím by mohla být interakce mezi povlakem a elektrolytem, která je založena na adhezních silách.
Zkoušky tlakem:
Na obrázku 2 je znázorněn vliv elektrolytu na mechanické deformační chování vrstev separátoru. Ukazuje porovnání křivek síla-dráha vrstev elektrolytu předem namočených v náhradním elektrolytu (směs diethylenkarbonátu a ethylenkarbonátu) a „suchých“ vrstev. Výsledky zkoušek ukazují, že u „mokrých“ vrstev můžeme pozorovat výrazně nižší nárůst síly než u „suchých“ vrstev. Obecně lze konstatovat, že separátory napuštěné elektrolytem vykazují při zatížení tlakem větší tuhost. Tato zjištění potvrzují, že pro stanovení charakteristických vlastností separátoru při reálných podmínkách se při zkouškách musí zohledni závislost na směru.
Výhled:
Spolupráce mezi společnostmi Virtual Vehicle a ZwickRoell se v současné době v oblasti stanovení mechanických vlastností součástí bateriových článků při tlakovém zatížení pomocí inovativních měřicích metod prohlubuje. V rámci vědeckého projektu bude vysoce přesná měřicí technologie ZwickRoell použita pro stanovení charakteristických vlastností velmi tenkých (v rozmezí μm) jednovrstvých vzorků ze součástí při tlakovém zatížení s cílem neustále zlepšovat kvalitu získaných dat, které se používají pro simulace.
