Virtual Vehicle Research GmbH optimiza la seguridad de las baterías con ZwickRoell
Testimonio
- Cliente: Virtual Vehicle Research GmbH
- Localidad: Graz, Austria
- Sector: Automoción
- Tema: Ensayos de seguridad de baterías: Caracterización mecánica de componentes de celdas de baterías para la parametrización de modelos de simulación de celdas por el método de elementos finitos
Julio de 2024
Virtual Vehicle Research GmbH utiliza la tecnología de medición de ZwickRoell para crear parámetros para modelos de simulación de celdas mediante elementos finitos, que describen con exactitud el comportamiento del material de los componentes de celdas en caso de deformación. Ventajas prácticas: Estos modelos se utilizan para la previsión de cortocircuitos internos y aumentar así la seguridad de las baterías. Y los resultados de los ensayos mecánicos constituyen la base para la simulación de las celdas de baterías bajo cargas de choque.
Virtual Vehicle Research GmbH investiga la movilidad del futuro
Virtual Vehicle Research GmbH es un centro internacional de investigación y desarrollo especializado en la ingeniería de automoción y movilidad del futuro. Fundada en Graz (Austria), la empresa colabora con socios industriales, universidades e instituciones de investigación para desarrollar tecnologías y métodos innovadores. Se centra en la digitalización y virtualización de los procesos de desarrollo, la seguridad y eficiencia de vehículos y la movilidad sostenible.
Las principales competencias de Virtual Vehicle Research GmbH incluyen la simulación y validación de componentes de vehículos, el desarrollo de sistemas de asistencia y la optimización de cadenas cinemáticas. Gracias a su enfoque en la investigación interdisciplinaria y las soluciones prácticas, la empresa contribuye de forma significativa al desarrollo de la industria automovilística y fomenta la transformación hacia conceptos de movilidad inteligentes y respetuosos con el medio ambiente.
Principales competencias de ZwickRoell en ensayos de seguridad de baterías
- Obtención de resultados de ensayo reproducibles para el ensayo de seguridad de baterías
- Precisión y exactitud de medición de las máquinas de ensayos
- Mejora de la eficiencia temporal
- Buena comunicación entre socios durante el proyecto
- Manejo cuidadoso de componentes de baterías
- Productos y soluciones innovadores
La tarea
Células de baterías: Caracterización mecánica de componentes en condiciones realistas
Las pilas de iones de litio (LIB) contienen un electrolito orgánico líquido que es tóxico e inflamable. Este electrolito permite el flujo de iones entre los electrodos y es, por tanto, un componente esencial para garantizar la funcionalidad de las LIB. Los electrolitos se basan esencialmente en la sal conductora (normalmente hexafluorofosfato de litio), que se disuelve en diversos carbonatos orgánicos, como el carbonato de etileno (EC) o el carbonato de dimetilo (DMC).
Para crear un entorno realista para los materiales a ensayar, era importante para Virtual Vehicle Research GmbH ensayar los componentes en un estado humedecido por el electrolito. Y para cumplir las normas de seguridad en el laboratorio de ensayos, se utilizó para ello un electrolito de sustitución que no requiere hexafluorofosfato de litio (LiPF6).
La tarea principal de ZwickRoell consistió en caracterizar mecánicamente todos los componentes individuales de la célula de la batería, en condiciones realistas. Un desafío importante era sujetar las probetas humedecidas con electrolito, como el separador, que suele ser muy fino (aprox. 20 µm) y flexible. Esto requería sobre todo mucho tacto y paciencia.
La solución de ZwickRoell para los ensayos de seguridad de baterías
Ensayos de tracción y compresión para la caracterización mecánica
La primera tarea consistió en fabricar probetas adecuadas a partir de componentes de celdas. ZwickRoell extrajo probetas rectangulares de separador con una troqueladora. Se centró prinicipalmente en el separador revestido de cerámica, ya que tiene un papel clave en la prevención de cortocircuitos. La función del separador es la separación, tanto eléctrica como espacial, de los electrodos entre sí. Las probetas de separador se ensayaron en estado seco, por un lado, y en estado impregnado de electrolito («húmedo»), por otro. Gracias a estos ensayos, se pudieron demostrar diferentes comportamientos de fallo de los separadores.
Las probetas para los ensayos de compresión consistían en un total de 100 capas individuales apiladas unas sobre otras. El motivo de este procedimiento: Esto permite aumentar la precisión en la medición de la extensión longitudinal durante el ensayo. Se aplicó una fuerza de precarga para cerrar los huecos entre las capas. Para garantizar la reproducibilidad de los resultados, se realizaron cinco ensayos por configuración de ensayo.
Como máquina de ensayos, se utilizó una Z100 AllroundLine de ZwickRoell con una célula de carga Xforce 100 kN. En el ensayo de compresión, el desplazamiento se midió con un sistema de medición de desplazamiento de travesaño, teniendo en cuenta la rigidez de la máquina. Para la medición de la deformación en los ensayos de tracción se empleó un vídeo-extensómetro.
«Cabe destacar el exhaustivo y profesional informe de ensayo, que se presentó puntualmente junto con los datos de ensayo. Refleja tanto la cuidadosa manipulación de los componentes individuales de la batería como la alta precisión de las máquinas de ensayo. A pesar de los grandes retos que supuso la manipulación de los componentes individuales de celdas muy finas en estado humedecido con electrolito, que imita las condiciones ambientales reales, los ingenieros de ensayo de ZwickRoell fueron capaces de generar resultados de ensayo reproducibles y fiables.»
Dr. Patrick Kolm, investigador principal │ Battery Crash Safety
El resultado
Conclusiones sobre el comportamiento de deformación mecánica de los separadores
Ensayos de tracción:
Además de la influencia de la velocidad de tracción (10 mm/min, 100 mm/min y 500 mm/min), la figura 1 muestra la influencia del electrolito en las probetas de separador, que se ensayaron en dirección transversal a modo de ejemplo. Los separadores ensayados «en húmedo» se extrajeron de un baño electrolítico de sustitución (mezcla de carbonato de dietileno y carbonato de etileno) inmediatamente antes del ensayo. Los resultados de los ensayos muestran que las probetas de separadores «húmedas» tienen una mayor rigidez que las probetas «secas».
En general, se observa que los separadores recubiertos de cerámica impregnada de electrolito presentan una mayor rigidez cuando se someten a esfuerzos de tracción. El recubrimiento del separador con Al2O3 hace que se forme una superficie de estructura rugosa y porosa. Una posible razón que explique la mayor resistencia a la deformación podría ser la interacción entre el recubrimiento y el electrolito, basada en fuerzas de adhesión.
Ensayos de compresión:
La figura 2 muestra la influencia del electrolito en el comportamiento de deformación mecánica de la pila de separadores. Muestra la comparación de las curvas de fuerza-recorrido entre una pila de separadores previamente impregnada de un electrolito sustitutivo (mezcla de carbonato de dietileno y carbonato de etileno) y una pila «seca». Los resultados de los ensayos muestran que la pila separadora «húmeda» produce un aumento de fuerza significativamente menor que la pila «seca». En general, se observa que los separadores impregnados de electrolito presentan una menor rigidez bajo carga de compresión. Estos resultados confirman que es fundamental realizar la caracterización en función de la dirección para realizar una parametrización realista del separador en el modelo de simulación de la pila.
Visión de futuro:
La colaboración entre Virtual Vehicle y ZwickRoell se está intensificando actualmente en el marco de la caracterización mecánica de componentes celulares bajo carga de compresión, gracias a la aplicación de métodos de medición innovadores. En el marco de un proyecto científico, se empleará la tecnología de medición de alta precisión de ZwickRoell para caracterizar probetas de componentes monocapa muy finas (rango de μm) bajo carga de compresión con el fin de mejorar continuamente la calidad de los datos de material para la simulación.
