Ensayo de baterías
La transición hacia la movilidad eléctrica del sector del transporte se ve influida en gran medida por las baterías de iones de litio. La investigación y el desarrollo, en combinación con una garantía de calidad exhaustiva, desempeñan un papel clave en el desarrollo de componentes para celdas de baterías, celdas de baterías y módulos de baterías, así como sistemas completos de almacenamiento de alto voltaje para la producción. Los ensayos de baterías para caracterizar los materiales utilizados y la generación de características intermedias del producto son requisitos previos cruciales para el progreso.
Gracias a nuestra amplia experiencia en ensayos mecánicos en el área de la electromovilidad, ofrecemos siempre el procedimiento de ensayo más adecuado a lo largo de toda la cadena de valor para todas las variantes de baterías disponibles. Desde materias primas, materiales, celdas y componentes de celdas hasta el montaje final en el vehículo y el reciclaje ZwickRoell es su socio experto para ensayos completos de baterías.
En estrecha colaboración con empresas líderes del sector, instituciones científicas e institutos de investigación, ofrecemos una amplia gama de métodos de ensayo mecánicos específicos para baterías…
Ensayos de tracción Ensayos de fatiga Ensayos de flexión Ensayos de compresión Ensayos de pelado, adhesión y fricción Baterías de estado sólido Tour virtual de 360° del laboratorio Asesoramiento y ensayos previos Descargas
…además de métodos de ensayo funcionales y estructurales.
Dependiendo del ámbito de aplicación, existen diferentes tipos de baterías con una amplia gama de propiedades. Las más conocidas: Baterías de iones de litio. Se utilizan en muchos dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos (EV battery, Electric Vehicle Battery). También hay un gran número de químicas de celda diferentes que evolucionan constantemente. Las químicas de las celdas implican unas propiedades heterogéneas de las baterías, por lo que también es importante una caracterización precisa desde el punto de vista mecánico. Los formatos de celdas , tales como las cilíndricas, prismáticas y tipo bolsa o «pouch», ofrecen diversas ventajas e inconvenientes en términos de densidad energética, espacio necesario y rendimiento. Por lo tanto, la selección del tipo de batería y el formato de celda adecuados depende siempre de los requisitos específicos de cada aplicación. En resumen, puede decirse que existe una gran variedad de planteamientos diferentes en el área del desarrollo y la producción de baterías. Esto significa que también se requiere un gran número de métodos de ensayo.
¿Cómo se fabrican las baterías? ¿Cuáles son los puntos clave en el ensayo mecánico de baterías?
- La cadena de valor de las baterías de iones de litio comienza con la extracción de las materias primas, como el litio, el cobalto, el níquel y el aluminio.
- Tras el procesamiento de las materias primas, los componentes de la celda, incluidos el ánodo, el cátodo y el electrolito, se fabrican en un proceso muy complejo. Durante este proceso de fabricación de los componentes de la celda, es importante llevar a cabo ensayos, por un lado para garantizar su calidad y fiabilidad y, por otro lado, para generar datos valiosos para simulaciones multifísicas mediante la caracterización de las características del producto intermedio.
- A continuación, las celdas de las baterías se fabrican y ensamblan en sistemas de almacenamiento de alto voltaje. Los ensayos mecánicos de las baterías también desempeñan aquí un papel decisivo, ya que garantizan su funcionalidad y seguridad. Se recopilan datos para evaluar el comportamiento de las celdas y los módulos de la batería en el uso diario.
Con nuestros numerosos métodos de ensayo a lo largo de la cadena de valor, ayudamos a responder las cuestiones más importantes de la industria y la investigación:
¿Cómo podemos estandarizar nuestros procesos? ¿Cómo podemos reducir nuestros costes y aumentar al mismo tiempo las cifras de producción? ¿Cómo podemos garantizar un alto nivel de calidad y seguridad? ¿Cómo podemos reducir los costes de energía, materiales y materias primas y contribuir, de este modo, a un medioambiente sostenible?
Aleksander Koprivc - ZwickRoell Business Development Manager Automotive-Electrification
Estaremos encantados de ayudarle a resolver sus dudas relacionadas con los ensayos de baterías.
Ensayos mecánicos de baterías: Láminas, electrodos, separadores y carcasas de celdas
Los ensayos mecánicos de baterías de láminas, electrodos, separadores y carcasas de celdas tienen un papel decisivo no sólo para garantizar y seguir desarrollando su calidad y rendimiento, sino también para garantizar una producción sin fallos. Los ensayos de tracción, compresión, flexión, fatiga y adherencia permiten caracterizar de forma realista estos componentes de las baterías. Los datos obtenidos también sirven de base para simulaciones multifísicas. Éstas se utilizan para la predicción numérica del comportamiento de la batería, por ejemplo, en caso de accidente.
Ensayos de tracción en láminas de baterías y electrodos revestidos
Los ensayos de tracción en láminas de baterías y electrodos revestidos determinan la resistencia mecánica y el alargamiento.
Los ensayos de láminas de baterías plantean muchas exigencias a las tecnologías de ensayo, especialmente en espesores de lámina reducidos de <10 µm, dependiendo del área de aplicación. Para garantizar la durabilidad, repetibilidad, comparabilidad, y con ello, la fiabilidad de los ensayos, se requiere precisión y seguridad en la manipulación de las probetas. Es por este motivo que para determinar las propiedades de un material con precisión, son de gran relevancia:
- la alineación vertical de la probeta
- técnicas de sujeción cuidadosas y
- la determinación sin contacto de la extensión longitudinal, mediante extensómetros ópticos, como el extensómetro VideoXtens
Cortadora de láminas para láminas de baterías
Soporte para la inserción de probetas
Mordazas neumáticas
Vídeo: Ensayo de tracción en láminas de baterías DIN 50154 / ASTM E345
Normas como la DIN 50154 y la ASTM E345 para el ensayo de tracción en láminas delgadas de baterías (láminas de aluminio y cobre, separadores de polímero) se pueden tener en cuenta en las secuencias de ensayo, apoyadas por el software de ensayo ZwickRoell testXpert, que garantiza un rendimiento conforme a la norma.
La participación activa en el desarrollo de normas, especialmente para los materiales de baterías, garantiza que los métodos de ensayo de ZwickRoell sigan cumpliendo todos los requisitos en un futuro.
Ensayo de tracción en láminas de metal de litio
El ensayo de láminas metálicas de litio plantea retos especiales, ya que su resistencia a la tracción sólo se puede determinar en un ambiente inerte. ZwickRoell ofrece para ello cámaras de gas protector especiales (glove boxes) para la preparación de probetas y la manipulación de probetas. Éstas permiten llevar a cabo los ensayos precisos en unas condiciones controladas para obtener resultados exactos.
Ensayo de tracción en láminas separadoras
Las láminas separadoras desempeñan una función crucial en las celdas de baterías, ya que aíslan eléctricamente el ánodo y el cátodo y permiten, al mismo tiempo, el flujo de iones de litio. La eficacia, la vida útil y la seguridad de las pilas dependen en gran medida del funcionamiento de estos separadores. Desde el punto de vista técnico, los ensayos cubren los principales requisitos exigidos en los separadores mediante ensayos de tracción según ISO 527-3 y ASTM D882, así como ensayos de perforación según EN 14477, ASTM D5748 y ASTM F1306. Estos ensayos también se realizan por electrólisis, en estado húmedo, para obtener unas características mecánicas cercanas a la realidad.
Otro aspecto relevante es el comportamiento del separador en relación con el coeficiente de fricción entre el revestimiento del electrodo y el separador. Estos valores característicos son especialmente importantes para el ajuste de los parámetros de producción en los procesos de bobinado. ZwickRoell no sólo permite ensayos a temperatura ambiente, sino también a temperaturas de servicio en el rango de -20 °C a +50 °C mediante las cámaras de temperatura ZwickRoell. De esta forma, se garantiza una caracterización completa de las láminas separadoras en diferentes condiciones.
Para ensayos de tracción automatizados en láminas de baterías y electrodos revestidos, presentamos nuestro sistema de ensayos automatizado roboTest, que ha sido desarrollado especialmente para ensayos automatizados de probetas inestables.
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Ensayos de fatiga en láminas de baterías
Las láminas de cobre y aluminio para baterías actúan como colectores de corriente en las baterías de iones de litio y están expuestas a diversas tensiones tanto durante el proceso de producción como durante el funcionamiento de la batería.
- Durante el proceso de producción pueden producirse defectos en el revestimiento, como imperfecciones o una distribución desigual. Aunque el proceso de calandrado puede minimizar estos defectos, no es posible eliminarlos por completo.
- Durante el funcionamiento de la batería, las películas están sometidas a tensiones térmicas y mecánicas que pueden provocar signos de fatiga. Además, las reacciones químicas con electrolitos pueden provocar corrosión, lo que merma el rendimiento de la pila.
Es fundamental tener en cuenta que las tensiones específicas y los fenómenos de fatiga dependen de muchos factores, como el diseño de la batería y las condiciones de funcionamiento. Por lo tanto, el desarrollo y la optimización de las baterías requieren siempre una investigación y una caracterización exhaustivas de las películas de las baterías mediante ensayos de fatiga.
Gracias a las reducidas fuerzas de ensayo de la máquina de ensayos electrodinámica LTM, los ensayos de fatiga pueden realizarse fácilmente, especialmente en probetas sensibles. La LTM está equipada con tecnología de accionamiento sin aceite. El motor lineal es especialmente silencioso e idóneo para su uso en el laboratorio.
Para evitar que la lámina de la batería resulte dañada por los cortes de medición, la variación de la deformación se mide con un vídeo extensómetro videoXtens dynamic.
Ensayos de flexión en revestimientos de electrodos
Ensayos de flexión para determinar la resistencia a la flexión del revestimiento de material activo es de gran importancia para la vida útil de las baterías de iones de litio.
El material activo de electrodos está formado por un recubrimiento de 50–100 µm de espesor, cuyas propiedades mecánicas pueden variar notablemente según la composición química y del proceso de producción utilizado. Dicha información es básica para definir los ajustes óptimos en los parámetros de producción, tales como la velocidad de producción, el ángulo del rodillo y las fuerzas de precarga. La determinación de la resistencia a la flexión mediante un dispositivo de flexión en 2 puntos también permite determinar el ángulo o radio de flexión máximo admisible, en el que el recubrimiento permanece intacto y se mantiene el contacto entre la lámina conductora y el material activo. Para ello, nuestra máquina de ensayos de materiales zwickiLine con dispositivo de flexión en 2 puntos y célula de carga de alta resolución integrada y célula de carga de alta resolución integrada ha resultado ser la máquina de ensayos ideal.
Ensayos de compresión en láminas de baterías, material activo y electrodos revestidos
La presión con la que se apilan las capas de electrodo y separador es crucial para un contacto eficaz dentro de la célula. Esta presión tiene una influencia significativa en la vida útil y el rendimiento de la celda.
ZwickRoell ofrece diferentes tipos de ensayos de compresión para láminas de baterías, material activo y electrodos revestidos con el fin de simular y caracterizar con precisión estas condiciones dinámicas de carga.
- El proceso de calandrado desempeña un papel central en la fabricación de electrodos para baterías de iones de litio. Se aplica una pasta de material activo, aglutinante y aditivo conductor a una lámina metálica (cobre para el ánodo, aluminio para el cátodo). La lámina recubierta pasa a través de unos rodillos que trabajan a presión y temperatura y queda prensada en una capa fina y uniforme.
- La densidad energética de las pilas de iones de litio, que influye notablemente en la autonomía de los vehículos eléctricos, depende en gran medida de este paso del proceso. La variación de las variables del proceso permite optimizar los parámetros del sistema y del material.
- Las mediciones de la deformación por compresión son de gran relevancia, ya que ayudan a supervisar y controlar la calidad y consistencia de los electrodos. Estas mediciones proporcionan información sobre el grado de incrustación del material activo en el electrodo y sobre si podría producirse un desprendimiento durante el funcionamiento de la pila. También ayudan a determinar la presión y temperatura óptimas para el proceso de calandrado con el fin de maximizar la densidad energética y el rendimiento de la batería.
Análisis multifuncional de electrodos revestidos y prototipos de pilas de células (jelly rolls)
En el ensayo de electrodos revestidos y pilas de celdas prototipo, la caracterización de los materiales y componentes es importante para garantizar la eficiencia, el rendimiento y la vida útil a largo plazo. Estos valores característicos son de crucial importancia para la investigación y el desarrollo, así como para el aseguramiento de la calidad.
Para ello, ZwickRoell ha desarrollado el Multifunctional Cell Component Analyzer (MCCA). Con ayuda de tres medidores de desplazamiento lineal de alta precisión y una unidad de nivelación, se puede aplicar presión de forma precisa sobre una superficie del electrodo. Esto permite medir con precisión el cambio de grosor del electrodo bajo condiciones de presión realistas. Al mismo tiempo, se mide la resistencia eléctrica mediante placas de presión chapadas en oro, lo que permite una evaluación en función de la presión.
Durante el proceso de carga y descarga eléctrica, la célula se hincha y encoge, lo que se conoce como «battery swelling». Esto provoca cambios en la presión sobre los distintos componentes. El banco de ensayos MCCA permite realizar ensayos de «Battery Swelling» alta precisiónensayos de hinchamiento de baterías de alta precisión en prototipos de pilas elementales, como las coin cells, y ayuda a caracterizar con precisión el comportamiento en el ciclo de carga y descarga de la pila de componentes celulares repetitivos más pequeña del jelly roll.
Ventajas del «Multifunctional Cell Component Analyzer», analizador multifuncional de componentes celulares:
- Medición de alta precisión del comportamiento tensión-deformación de electrodos revestidos bajo presión
- Medición de la resistencia eléctrica en función de la presión
- Medición del comportamiento de «battery swelling» (batería hinchadas) de prototipos de células elementales (coin cells)
Ensayos de compresión de alta precisión en el proceso de recubrimiento de electrodos
Un desafío importante en la producción de baterías es el proceso de recubrimiento de electrodos. Para un funcionamiento seguro de la batería, debe garantizarse una estabilidad mecánica excelente y un comportamiento predecible del material activo ante el envejecimiento.
- Para ello, es importante un análisis detallado del comportamiento de las láminas de baterías y de los electrodos revestidos bajo presión. Gracias a la nanoindentación instrumentada se elaboran curvas de fuerza-recorrido que permiten registrar un módulo de indentación en el ensayo de compresión de capas extremadamente finas. Esto nos proporciona datos fundamentales para el desarrollo de materiales, la garantía de calidad y la simulación de baterías.
- La unión entre el material activo, slurry y la lámina conductora de la pila es crucial para la calidad y el rendimiento. Para garantizar una adhesión óptima, es necesario que los granos del material activo penetren en la película y minimicen su deformación. El nanoindentador ZHN de ZwickRoell permite realizar un análisis experimental de esta deformación mínima, para conseguir la mejor adherencia posible entre la película portadora y el material activo mediante la caracterización del comportamiento de la lámina.
Determinación del comportamiento de asentamiento de las láminas separadoras
En los materiales utilizados para las películas separadoras puede producirse un asentamiento bajo carga de presión cíclica. Este comportamiento de asentamiento, que conduce a una modificación del espesor de la película, afecta a veces al rendimiento y a la vida útil de la batería. ZwickRoell ofrece una amplia gama de métodos de ensayo para la caracterización del comportamiento de asentamiento de láminas separadoras con las máquinas de ensayos universales de tracción compresión y los bancos de ensayo especiales para ensayos de compresión, MCCA y Nanoindenter.
Ensayos de pelado y adherencia en ensayos de baterías
Además de los valores característicos mecánicos, la adherencia de los recubrimientos de una o dos caras en la lámina conductora es de vital importancia, ya que esta conexión es en gran parte responsable de la conductividad interna de la batería. Dado que la adherencia va cambiando con la edad de la batería, es importante garantizar una conexión permanente. Esto puede realizarse con ensayos de pelado y adherencia. El desprendimiento del material activo sumergido en el electrolito perjudica considerablemente la seguridad de la pila. Por lo tanto, la comprobación de la fuerza de adherencia del revestimiento del electrodo, tanto en el ánodo como en el cátodo, es de gran importancia para el control de la producción directamente en la línea de producción de las pilas.
La fuerza de adherencia mecánica entre el material activo y el sustrato se determina mediante diferentes ensayos:
Ensayos de pelado a 90° y 180°
El método más común para determinar la adherencia mecánica entre el material activo y el sustrato es el ensayo de pelado a tracción con un ángulo de pelado de 90° o 180°.
- En ambas variantes, la lámina de recubrimiento se aplica sobre un material de soporte y, a continuación, se tira de ella en la máquina de ensayos a un ángulo de pelado especificado.
- Los procedimientos no están estandarizados y, por lo tanto, son muy difíciles de comparar.
- La evaluación relevante del tipo de falla en términos de calidad (falla cohesiva o adhesiva) con este método solo es posible de forma limitada.
- Otros inconvenientes de estos ensayos son el alto consumo de material y la complejidad del proceso de preparación de probetas.
Ensayo de adherencia en dirección Z
El ensayo de adherencia en dirección Z es una forma más fiable y reproducible de determinar la resistencia de adherencia y evaluar el tipo de fallo. Se pueden preparar cinco probetas simultáneamente en el dispositivo de tracción por adherencia «Z direction», utilizando una fijación de probetas. Además, la máquina de ensayos utiliza automáticamente los parámetros definidos de presión de contacto y duración de forma idéntica para cada probeta. Gracias a este dispositivo de ensayo, se reduce la influencia del usuario en el resultado de la medición, en comparación con los ensayos de pelado.
A continuación, se tira de una probeta en dirección Z y se determina un valor máximo de resistencia a la adhesión. Además de una preparación muy eficaz de las probetas y una alta repetibilidad, este método también permite determinar claramente los componentes de cohesión y adhesión del patrón de fractura. La buena comparabilidad de los resultados obtenidos con este método de ensayo también permite una supervisión fiable de la calidad del revestimiento en el proceso de producción.
Vídeo: Ensayo de adherencia en dirección Z en revestimientos de electrodos
Determinación de la resistencia adhesiva entre los revestimientos de material activo y los electrodos (lámina de aluminio o cobre) en baterías de iones de litio para electromovilidad mediante el dispositivo de tracción adhesiva «Dirección Z».
Ensayos de fricción en recubrimientos de electrodos, láminas de protección y separadores
La determinación del coeficiente de fricción de recubrimientos de electrodos, láminas conductoras y separadores en la producción de baterías de iones de litio es crucial para identificar posibles problemas durante el proceso de fabricación y garantizar la calidad y el rendimiento de las baterías.
Los ensayos de fricción posibles son:
- Ensayo de adherencia de capas: Se investiga la adherencia entre las distintas capas en la celda de la batería. La aplicación de una fuerza o carga definida permite evaluar la tendencia de las capas a separarse o adherirse. Las fuerzas de separación de capas resultantes permiten extraer conclusiones sobre los coeficientes de fricción.
- Ensayo de fuerza de contacto y desplazamiento: Estos ensayos miden la fuerza necesaria para desplazar o separar entre sí materiales con revestimientos o superficies diferentes. Esto permite comprender el comportamiento de los materiales bajo presión y cuantificar el coeficiente de fricción.
Caracterización de componentes de baterías de estado sólido
Con la eliminación de los electrolitos líquidos en las baterías de estado sólido, surgen nuevos retos como el contacto de la capa límite, la expansión térmica y la resistencia al envejecimiento. Para la caracterización de componentes de baterías de estado sólido, ZwickRoell ofrece amplios métodos de ensayo para los requerimientos especiales de las baterías de estado sólido.
- La caracterización mecánica de un ánodo de metal de litio puede suponer un reto. La preparación de la probeta y la determinación de la resistencia a la tracción del metal de litio deben llevarse a cabo en un entorno de gas inerte por la fuerte degradación. Además, el material sensible y dúctil requiere un manejo extremadamente cuidadoso en mordazas especiales y una determinación fiable de la deformación longitudinal mediante un extensómetro óptico. ZwickRoell ofrece cámaras de gas protectoras especiales (glove boxes), preparación y manipulación de probetas, así como un extensómetro óptico a medida que permite la medición sin tocar la probeta.
- Otro desafío es determinar las propiedades mecánicas de otros componentes como el cátodo compuesto o el separador de electrolitos sólidos. La resistencia de estos componentes influye considerablemente en el diseño de los procesos de producción y en la seguridad de funcionamiento de la batería. Un nanoindentador ZHN puede utilizarse para caracterizar electrolitos sólidos de polímeros, óxidos o sulfuros con diferentes propiedades mecánicas para analizar el módulo de elasticidad, la dureza, la resistencia a la flexión y la tenacidad a la fractura.
Ensayos funcionales y estructurales de baterías: Componentes de baterías, células y compuestos de células
Los ensayos funcionales y estructurales de celdas y las conexiones de celdas desempeñan un papel decisivo en el ensamblaje de celdas en módulos y paquetes, así como para la seguridad en el funcionamiento de las baterías. El denominado «battery swelling» hinchamiento de las baterías durante los procesos de carga y descarga se determina mediante Swelling-Tests de alta precisión para tenerlo en cuenta en los pasos posteriores. La presión predominante en la celda se analiza en ensayos de aplastamiento y flexión, incluidos los ensayos de uso abusivo, como el ensayo de perforación con clavos.
Battery Swelling Test: Caracterización del comportamiento de la célula en el ciclo de carga y descarga
El comportamiento de las celdas de la batería durante el proceso de carga y descarga, en particular la expansión de las celdas, conocida como «Battery Swelling» o «Battery Breathing», influye en su rendimiento y vida útil. Este fenómeno es especialmente evidente en las celdas prismáticas y en las de tipo «pouch», así como en las baterías de estado sólido. Sin embargo, comprender la expansión de las celdas cilíndricas también es cada vez más importante para el desarrollo de nuevas generaciones de baterías.
La caracterización precisa de este comportamiento bajo termorregulación simultánea de la temperatura es crucial. La respiración de la célula debe tenerse en cuenta para el montaje en el módulo, ya que la expansión de las células en el módulo provoca un cambio en la presión sobre la celda. Esta presión y la temperatura influyen considerablemente en la vida útil y el rendimiento de las celdas. Por lo tanto, es importante la caracterización precisa de la respiración y de cómo se hinchan las celdas. ZwickRoell ofrece varios enfoques para la caracterización del comportamiento de la celda en el ciclo de carga y descarga, incluyendo ciclos eléctricos, mediciones de deformación de alta precisión, secuencias de ensayo de larga duración y control de temperatura controlado.
- Termorregulación completa de la celda de batería
Se utiliza una cámara de temperatura para calentar la celda de la batería a una temperatura de funcionamiento deseada, que se mantiene constante en la cámara durante todo el ensayo. Se regula en función de la temperatura ambiente en la cámara de temperatura. En función del riesgo, la seguridad durante el ensayo se garantiza a través de la cámara de temperatura o de una cámara de protección con un nivel de peligrosidad adecuado. - Control preciso y homogéneo de la termorregulación de toda la célula de la batería
Mediante el calentamiento y enfriamiento activos de los platos de compresión, la temperatura de la superficie de la celda de la batería se atempera de forma homogénea y se controla con precisión por arriba y abajo. Por otro lado, también se pueden igualar las fluctuaciones locales de temperatura dentro de la celda de la batería. De este modo se contrarrestan, por ejemplo, las temperaturas críticas a altas corrientes de descarga y se garantiza la fiabilidad de los ensayos.
Este tipo de ensayos se ha desarrollado en colaboración con la empresa MBTS. En un artículo se ha analizado la influencia de diferentes temperaturas, presiones y velocidades de descarga en las propiedades eléctricas de una celda de batería de iones de litio normalizada para aplicaciones de automoción.
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