Virtual Vehicle Research GmbH perfeziona la sicurezza delle batterie con ZwickRoell
Case Study
- Cliente: Virtual Vehicle Research GmbH
- Luogo: Graz, Austria
- Settore Industriale: Automotive
- Topic: Test di sicurezza sulle batterie: caratterizzazione meccanica dei componenti delle celle delle batterie per la parametrizzazione dei modelli di simulazione delle celle degli elementi finiti.
Luglio 2024
Virtual Vehicle Research GmbH utilizza la tecnologia di misura ZwickRoell per determinare i parametri dei modelli FE delle celle delle batterie, che descrivono con precisione il comportamento dei materiali dei componenti delle celle sotto deformazione. Uso pratico: questi modelli vengono utilizzati per prevedere i cortocircuiti interni e aumentare così la sicurezza delle batterie. I risultati dei test meccanici costituiscono la base per la simulazione delle celle delle batterie sottoposte a carichi d'urto.
Virtual Vehicle Research GmbH si occupa ricerche sul futuro della mobilità
Virtual Vehicle Research GmbH è un centro internazionale di ricerca e sviluppo specializzato nella tecnologia dei veicoli e nella mobilità del futuro. Fondata a Graz, in Austria, l'azienda collabora con partner industriali, università e istituti di ricerca per sviluppare tecnologie e metodi innovativi. L'attenzione è rivolta alla digitalizzazione e alla virtualizzazione dei processi di sviluppo, alla sicurezza e all'efficienza dei veicoli e alla mobilità sostenibile.
Le competenze principali di Virtual Vehicle Research GmbH comprendono la simulazione e la convalida dei componenti dei veicoli, lo sviluppo di sistemi di assistenza alla guida e l'ottimizzazione delle trasmissioni. Concentrandosi sulla ricerca interdisciplinare e sulle applicazioni pratiche, l'azienda contribuisce in modo significativo agli sviluppi futuri dell'industria automobilistica e sostiene la trasformazione verso concetti di mobilità intelligenti ed ecologici.
Principali competenze ZwickRoell nei test di sicurezza sulle batterie
- Produzione di risultati riproducibili per i test di sicurezza sulle batterie
- Precisione e accuratezza di misura delle macchine di prova
- Miglioramento dell'efficienza temporale
- Progetto e comunicazione eccellenti tra i partner
- Gestione accurata dei componenti della batteria
- Prodotti e soluzioni innovative
Il task
Celle di batterie: caratterizzazione meccanica dei componenti in condizioni realistiche
Le celle delle batterie agli ioni di litio (LIB) contengono un elettrolita organico liquido, tossico e infiammabile. Questo elettrolita consente il flusso di ioni tra gli elettrodi ed è quindi essenziale per il funzionamento delle LIB. Gli elettroliti si basano essenzialmente su un sale conduttore (solitamente esafluorofosfato di litio) disciolto in vari carbonati organici, come il carbonato di etilene (EC) o il dimetilcarbonato (DMC).
Per creare un ambiente di prova realistico per i materiali da testare, era importante per Virtual Vehicle Research GmbH testare i componenti in uno stato di bagnatura con elettroliti. Per soddisfare i requisiti di sicurezza nel laboratorio di prova, è stato utilizzato un elettrolita sostitutivo che non richiede l'esafluorofosfato di litio (LiPF6).
Il compito principale di ZwickRoell è stato quello di caratterizzare meccanicamente tutti i singoli componenti della cella della batteria in condizioni realistiche. Una sfida importante è stata quella di bloccare i campioni, bagnati dall'elettrolito, come il separatore, di solito estremamente sottile (circa 20 µm) e flessibile. Ciò ha richiesto scrupolosità e una gestione particolarmente delicata.
Soluzioni ZwickRoell per test di sicurezza sulle batterie
Prove di trazione e compressione per la caratterizzazione meccanica
Il primo compito è stato quello di produrre campioni adatti ricavati dai componenti della cella. ZwickRoell ha tagliato campioni rettangolari di separatori con una fustellatrice. L’attenzione si è concentrata principalmente sui separatori rivestiti in ceramica, in quanto giocano un ruolo chiave nella prevenzione dei cortocircuiti. Il compito dei separatori è quello di separare gli elettrodi l'uno dall'altro sia elettricamente che spazialmente. I campioni di separatore sono stati testati sia a secco che in condizioni di immersione nell'elettrolito (“bagnato”). Queste prove hanno permesso di dimostrare diversi comportamenti di rottura dei separatori.
I provini per i test di compressione consistevano in un totale di 100 singoli strati impilati l'uno sull'altro. Il motivo di questa scelta è la maggiore accuratezza di misurazione della variazione di lunghezza. Inoltre, è stato applicato un precarico per eliminare lo spazio tra gli strati. Per garantire la riproducibilità dei risultati, sono stati eseguiti in totale cinque test per ogni configurazione di prova.
È stata utilizzata una macchina di prova ZwickRoell Z100 AllroundLine con una cella di carico Xforce da 100 kN. Durante la prova di compressione, lo spostamento è stato misurato tramite il sistema di misurazione dello spostamento della traversa, tenendo conto della rigidità della macchina. Per la misurazione della deformazione durante le prove di trazione è stato utilizzato un estensimetro video.
“Il report di prova completo e redatto in modo professionale, inviato insieme ai dati di prova, merita una menzione speciale. Riflette sia l'attenta gestione dei singoli componenti della batteria sia l'elevata precisione delle macchine di prova. Nonostante le grandi sfide poste dalla gestione dei componenti di celle molto sottili in uno stato di bagnatura dell'elettrolito, che imita le condizioni reali, gli ingegneri di ZwickRoell sono stati in grado di produrre risultati di prova riproducibili e affidabili”.
Dr. Patrick Kolm, Senior Researcher │ Battery Crash Safety
Il risultato
Risultati sul comportamento di deformazione meccanica dei separatori
Prove di trazione:
La Figura 1 mostra l'influenza della velocità di trazione (10 mm/min, 100 mm/min e 500 mm/min) e l'influenza dell'elettrolita sui campioni di separatore, testati in direzione trasversale. I separatori “bagnati” testati sono stati prelevati da un bagno di elettrolita sostitutivo (miscela di dietilene carbonato ed etilene carbonato) immediatamente prima del test. I risultati dei test mostrano che i campioni di separatori “bagnati” hanno una rigidità maggiore rispetto ai campioni “asciutti”.
In generale, sembra che i separatori impregnati di elettrolita e rivestiti di ceramica presentino una maggiore rigidità quando vengono sottoposti a trazione. Rivestendo il separatore con Al2O3, si forma una struttura ruvida e porosa sulla superficie. Una possibile ragione della maggiore resistenza alla deformazione potrebbe essere l'interazione tra il rivestimento e l'elettrolita, basata su forze di adesione.
Prove di compressione:
La Figura 2 mostra l'influenza dell'elettrolita sul comportamento di deformazione meccanica della pila di separatori. Le curve forza/spostamento di una pila di separatori “asciutta” sono confrontate con una pila imbevuta di un elettrolita sostitutivo (miscela di carbonato di dietilene e carbonato di etilene). I risultati dei test indicano che la pila di separatori “bagnata” mostra un aumento di resistenza significativamente inferiore rispetto alla pila “asciutta”. In generale, sembra che i separatori impregnati di elettrolita e presentino una minore rigidità quando sottoposti a compressione. Questi risultati confermano che la caratterizzazione in funzione della direzione è essenziale per una parametrizzazione realistica del separatore nel modello di simulazione della cella.
Prospettive:
La collaborazione tra Virtual Vehicle e ZwickRoell si sta attualmente rafforzando nell'area della caratterizzazione meccanica dei componenti delle celle sottoposti a carico di compressione attraverso l’applicazione di metodi di prova innovativi. Nell'ambito di un progetto scientifico, la tecnologia di misura ZwickRoell ad alta precisione viene utilizzata per caratterizzare campioni di componenti monostrato molto sottili (gamma μm) sottoposti al carico di compressione, al fine di migliorare costantemente la qualità dei dati sui materiali per la simulazione.
