Virtual Vehicle Research GmbH がツビックローエルと連携してバッテリーの安全性を最適化
ケーススタディ
- 顧客: Virtual Vehicle Research GmbH
- 位置:グラーツ、オーストリア
- 産業: 自動車
- トピック: バッテリーの安全性試験:有限要素セルシミュレーションモデルのパラメータ化のためのバッテリーセルコンポーネントの機械的特性評価
Virtual Vehicle Research GmbHはモビリティの未来のための研究を行っています
Virtual Vehicle Research GmbHは、将来の車両技術とモビリティに特化した国際的な研究開発センターです。
グラーツ(オーストリア)に設立された同社は、産業界のパートナー、大学、研究機関と協力して革新的な技術と方法を開発しています。焦点は、開発プロセスのデジタル化と仮想化、車両の安全性と効率性、持続可能なモビリティにあります。
Virtual Vehicle Research GmbHの中核となる能力には、車両コンポーネントのシミュレーションと検証、支援システムの開発、パワートレインの最適化などがあります。
同社は学際的な研究と実用的なソリューションに焦点を置いており、自動車産業のさらなる発展に大きく貢献し、インテリジェントで環境に優しいモビリティコンセプトへの変革をサポートしています。
課題
バッテリーセル: 現実的な条件下での機械部品の特性評価
リチウムイオン電池セル (LIB) には、有毒で可燃性の液体有機電解質が含まれています。この電解質は電極間のイオンの流れを可能にするため、LIB の機能性を確保するために不可欠なコンポーネントです。電解質は基本的に導電性塩(通常は六フッ化リン酸リチウム)をベースにしており、エチレンカーボネート(EC)やジメチルカーボネート(DMC)などのさまざまな有機炭酸塩に溶解しています。
試験する材料に現実的な環境を作り出すために、Virtual Vehicle Research GmbHにとって、電解質が湿った状態でコンポーネントをテストすることが重要でした。
また、試験室の安全規制に準拠するために、六フッ化リン酸リチウム (LiPF6) を必要としない代替電解液が使用されました。
ツビックローエルの中心的な任務は、現実的な条件下でバッテリーセルの個々のコンポーネントすべてを機械的に特性評価することでした。主な課題は、一般的に非常に薄く(約 20 µm)、柔軟性のあるセパレータなどの電解質で湿った試験片をつかむことでした。何よりも、これには繊細な取り扱いと忍耐が必要でした。
バッテリー安全性試験のためのツビックローエルソリューション
機械的特性評価のための引張および圧縮試験
最初の課題は、適切な細胞コンポーネントの試験片を作成することでした。ツビックローエルは、打ち抜きツールを使用して長方形のセパレーター試験片を切り出しました。注目されたのはセラミックコーティングされたセパレーターでした。その理由は、短絡防止における重要な役割があるからです。セパレータの役割は、電極を電気的にも空間的にも互いに分離することです。セパレータの試験片は、一方では乾燥状態で、他方では電解液に浸した(「湿った」)状態でテストされました。これらのテストのおかげで、セパレーターのさまざまな故障挙動を実証することができました。
圧縮試験用の試験片は、合計100個の個別の層が積み重ねられて構成されていました。この手順の理由は、テストでの長さの変化の測定精度が向上するためです。層間の隙間を閉じるために予圧力を加えました。結果の再現性を保証するために、テスト構成ごとに合計 5 つのテストが実行されました。
使用された試験機は、Xforce 100 kNロード セルを備えた ZwickRoell Z100AllroundLineでした。圧縮試験では、機械の剛性を考慮してクロスヘッド変位測定システムを使用して変位を測定しました。引張試験におけるひずみ測定にはビデオ伸び計が使用されました。
結果
セパレータの機械的変形挙動に関する知見
引張試験:
図1は、例として横方向に試験したセパレータ試験片に対する引張速度(10 mm/分、100 mm/分、500 mm/分)の影響と電解質の影響を示しています。「湿式」試験セパレーターは、試験直前に交換用電解液浴(ジエチレンカーボネートとエチレンカーボネートの混合物)から取り出されました。試験結果によると、「湿った」セパレータ試験片は「乾いた」試験片よりも剛性が高いことが示されています。
一般的に、電解質を含浸させたセラミックコーティングセパレーターは、引張応力を受けるとより高い剛性を示すことが観察されます。セパレーターをAl2O3でコーティングすることで、表面が粗く多孔質な構造になります。変形抵抗が高くなる理由の1つは、接着力に基づくコーティングと電解質間の相互作用である可能性があります。
圧縮試験:
図2は、電解質がセパレータスタックの機械的変形挙動に与える影響を示しています。これは、代替電解質(エチレンカーボネートとエチレンカーボネートの混合物)に事前に浸したセパレータースタックと「乾燥」スタックの力-移動曲線の比較を示しています。試験結果によると、「ウェット」セパレータースタックでは、「ドライ」スタックよりも大幅に低い力の増加が生じることがわかりました。一般的に、電解質を含浸させたセパレータは、圧縮荷重下では剛性が低くなることが観察されます。これらの調査結果は、セルシミュレーションモデルにおけるセパレータの現実的なパラメータ化には方向依存の特性評価が不可欠であることを確認しています。
展望:
Virtual Vehicle と ツビックローエルのコラボレーションは現在、革新的な試験方法の適用を通じて、圧縮荷重下でのセルコンポーネントの機械的特性評価に関してさらに強化されています。科学プロジェクトの一環として、高精度のツビックローエル測定技術を使用して、圧縮荷重を受ける非常に薄い (μm 範囲) 単層コンポーネント試験片の特性を評価し、シミュレーション用の材料データの品質を継続的に向上させます。