Virtual Vehicle Research GmbH optimiert mit ZwickRoell die Batteriesicherheit
Case Study
- Kunde: Virtual Vehicle Research GmbH
- Ort: Graz, Österreich
- Branche: Automotive
- Thema: Batteriesicherheit prüfen: Mechanische Charakterisierung von Batteriezellkomponenten für die Parametrierung von Finite-Elemente Zellsimulationsmodellen
Juli 2024
Die Virtual Vehicle Research GmbH erstellt mit ZwickRoell-Messtechnik Parameter für FE-Zellsimulationsmodelle, die das Materialverhalten von Zellkomponenten bei Deformationen genau beschreiben. Praktischer Nutzen: Diese Modelle dienen der Prognose interner Kurzschlüsse und erhöhen so die Batteriesicherheit. Und die Ergebnisse mechanischer Tests bilden die Grundlage für die Simulation von Batteriezellen unter Crashbelastungen.
Virtual Vehicle Research GmbH forscht zur Mobilität der Zukunft
Die Virtual Vehicle Research GmbH ist ein internationales Forschungs- und Entwicklungszentrum, das sich auf die Fahrzeugtechnik und Mobilität der Zukunft spezialisiert hat. Gegründet in Graz (Österreich), arbeitet das Unternehmen mit Industriepartnern, Universitäten und Forschungsinstitutionen, um innovative Technologien und Methoden zu entwickeln. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Digitalisierung und Virtualisierung von Entwicklungsprozessen, der Sicherheit und Effizienz von Fahrzeugen sowie der nachhaltigen Mobilität.
Zu den Kernkompetenzen von Virtual Vehicle Research GmbH zählen die Simulation und Validierung von Fahrzeugkomponenten, die Entwicklung von Assistenzsystemen sowie die Optimierung von Antriebssträngen. Mit seinem Fokus auf interdisziplinärer Forschung und praxisnahen Lösungen träg das Unternehmen maßgeblich zur Weiterentwicklung der Automobilindustrie bei und unterstützt die Transformation hin zu intelligenten und umweltfreundlichen Mobilitätskonzepten.
Die ZwickRoell Top Kompetenzen in der Prüfung der Batteriesicherheit
- Produktion reproduzierbarer Testergebnisse für die Prüfung der Batteriesicherheit
- Präzision und Messgenauigkeit der Prüfmaschinen
- Verbesserung der Zeiteffizienz
- Gute Projekt- und Partnerkommunikation
- Sorgfalt mit Umgang von Batteriekomponenten
- Innovative Produkte und Lösungen.
Die Aufgabe
Batteriezellen: Mechanische Komponentencharakterisierung unter realitätsnahen Bedingungen
In Lithium-Ionen-Batteriezellen (LIBs) befindet sich ein flüssiger organischer Elektrolyt, der toxisch und brennbar ist. Dieser Elektrolyt ermöglicht den Ionenfluss zwischen den Elektroden und ist daher eine wesentliche Komponente, um die Funktionsfähigkeit von LIBs sicherzustellen. Im Wesentlichen basieren Elektrolyte auf dem Leitsalz (meist Lithiumhexafluorophosphat), welches in verschiedenen organischen Carbonaten, beispielsweise Ethylencarbonat (EC) oder Dimethylcarbonat (DMC), gelöst ist.
Um eine realitätsgetreue Umgebung für die zu testenden Materialien zu schaffen, war es Virtual Vehicle Research GmbH wichtig, die Komponenten im elektrolytbenetzten Zustand zu testen. Und um die Sicherheitsvorschriften im Prüflabor einzuhalten, wurde zu diesem Zweck ein Ersatzelektrolyt eingesetzt, der ohne Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) auskommt.
Die zentrale Aufgabe von ZwickRoell bestand darin, alle einzelnen Komponenten der Batteriezelle mechanisch zu charakterisieren – und zwar unter realitätsnahen Bedingungen. Eine große Herausforderung lag darin, die elektrolytbenetzten Proben wie den Separator, der im Allgemeinen sehr dünn (ca. 20 µm) und biegeweich ist, einzuspannen. Hierfür waren vor allem Fingerspitzengefühl und Geduld erforderlich.
Die ZwickRoell Lösung für die Batteriesicherheits-Prüfung
Zug- und Drucktests zur mechanischen Charakterisierung
Die erste Aufgabe bestand darin, geeignete Zellkomponentenproben herzustellen. ZwickRoell schnitt dafür rechteckförmige Separatorproben mittels Stanzwerkzeugs aus. Dabei lag der Fokus auf dem keramisch beschichteten Separator. Der Grund ist seine Schlüsselrolle für die Kurzschlussprävention. Die Aufgabe des Separators ist es, die Elektroden sowohl elektrisch als auch räumlich voneinander zu trennen. Einerseits wurden die Separatorproben im trockenen Zustand, andererseits im elektrolytgetränktem („nassen“) Zustand geprüft. Dank dieser Tests ließen sich unterschiedliche Versagensverhalten von Separatoren nachweisen.
Die Proben für die Druckversuche bestanden aus insgesamt 100 aufeinander gestapelten Einzelschichten. Der Grund für dieses Vorgehen: Dies erhöht die Messgenauigkeit für die Längenänderung im Versuch. Um die Lücken zwischen den Schichten zu schließen, wurde eine Vorspannkraft aufgebracht. Um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, fanden insgesamt fünf Versuche pro Testkonfiguration statt.
Als Prüfmaschine wurde eine ZwickRoell Z100 AllroundLine mit einem Xforce 100 kN Kraftaufnehmer verwendet. Im Druckversuch wurde die Verschiebung unter Berücksichtigung der Maschinensteifigkeit mit einem Traversen-Wegmesssystem gemessen. Bei den Zugversuchen kam ein Video-Extensometer für die Dehnungsmessung zum Einsatz.
„Sehr hervorzuheben ist der umfassende und professionell aufbereitete Testbericht, der gemeinsam mit den Testdaten zeitnah übermittelt wurde. Dabei spiegelt dieser sowohl den sorgfältigen Umgang mit den einzelnen Batteriekomponenten wider als auch die hohe Präzision der Prüfmaschinen. Trotz großer Herausforderungen im Umgang mit einzelnen sehr dünnen Zellkomponenten im elektrolytbenetzten Zustand, der reale Umgebungsbedingungen imitiert, konnten die Testingenieure von ZwickRoell reproduzierbare und zuverlässige Testergebnisse generieren."
Dr. Patrick Kolm, Senior Researcher │ Battery Crash Safety
Das Ergebnis
Erkenntnisse zum mechanischen Deformationsverhalten von Separatoren
Zugversuche:
Aus Abbildung 1 ist neben dem Zuggeschwindigkeitseinfluss (10 mm/min, 100 mm/min und 500 mm/min) der Einfluss des Elektrolyten auf die Separatorproben, welche exemplarisch in Querrichtung getestet wurden, ersichtlich. Die „nass“ getesteten Separatoren wurden unmittelbar vor dem Testen aus einem Ersatzelektrolytbad (Mischung aus Diethylencarbonat und Ethylencarbonat) entnommen. Die Testergebnisse verdeutlichen, dass die „nassen“ Separatorproben eine höhere Steifigkeit als die „trockenen“ Proben aufweisen.
Allgemein lässt sich beobachten, dass die elektrolytgetränkten keramisch beschichteten Separatoren eine höhere Steifigkeit aufweisen, wenn sie auf Zug beansprucht werden. Durch die Beschichtung des Separators mit Al2O3 bildet die Oberfläche eine raue und poröse Struktur. Ein möglicher Grund für den höheren Verformungswiderstand könnte die Wechselwirkung zwischen der Beschichtung und dem Elektrolyten sein, die auf Adhäsionskräften beruht.
Druckversuche:
In Abbildung 2 ist der Einfluss des Elektrolyten auf das mechanische Deformationsverhalten des Separatorstapels dargestellt. Es zeigt den Vergleich der Kraft-Weg-Kurven des zuvor in einen Ersatzelektrolyten (Mischung aus Diethylencarbonat und Ethylencarbonat) getränkten Separatorstapels und eines „trockenen“ Stapels. Die Testergebnisse zeigen, dass der „nasse“ Separatorstapel einen deutlich geringeren Kraftanstieg hervorruft als der „trockene“ Stapel. Allgemein lässt sich beobachten, dass die elektrolytgetränkten Separatoren unter Druckbelastung eine geringere Steifigkeit aufweisen. Diese Erkenntnisse bestätigen, dass eine richtungsabhängige Charakterisierung für eine realitätsgetreue Parametrisierung des Separators im Zellsimulationsmodell essenziell ist.
Ausblick:
Aktuell wird die Zusammenarbeit zwischen Virtual Vehicle und ZwickRoell in Bezug auf die mechanische Charakterisierung von Zellkomponenten unter Druckbelastung durch die Anwendung innovativer Messmethoden weiter vertieft. Im Rahmen einer wissenschaftlichen Arbeit soll mithilfe von hochpräziser ZwickRoell-Messtechnik die Charakterisierung sehr dünner (μm-Bereich) einlagiger Komponentenproben unter Druckbelastung ermöglicht werden, um so die Materialdatenqualität für die Simulation stetig zu verbessern
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