Virtual Vehicle Research GmbH optimaliseert batterijveiligheid met ZwickRoell
Case study
- Klant: Virtual Vehicle Research GmbH
- Locatie: Graz, Oostenrijk
- Branche: Automotive
- Onderwerp: Testen van batterijveiligheid: mechanische karakterisatie van onderdelen van batterijcellen om zo eindige elementensimulaties van cellen parametriseren
Juli 2024
Virtual Vehicle Research GmbH gebruikt ZwickRoell meettechnologie om parameters te bepalen voor FE modellen van batterijcellen die het materiaalgedrag van celcomponenten bij vervorming precies beschrijven. Praktisch nut: deze modellen worden gebruikt om interne kortsluitingen te voorspellen en dus de batterijveiligheid te verhogen. De resultaten van de mechanische tests vormen de basis voor de simulatie van batterijcellen bij crashbelasting.
Virtual Vehicle Research GmbH voert onderzoek naar de toekomst van mobiliteit
Virtual Vehicle Research GmbH is een internationaal centrum voor onderzoek en ontwikkeling, gespecialiseerd in voertuigtechnologie en de mobiliteit van de toekomst. Het bedrijf werd opgericht in Graz (Oostenrijk) en werkt met industriële partners, universiteiten en onderzoeksinstituten aan de ontwikkeling van innovatieve technologieën en methoden. De focus ligt op digitalisering en virtualisatie van ontwikkelingsprocessen, veiligheid en efficiëntie van voertuigen, en duurzame mobiliteit.
De kerncompetenties van Virtual Vehicle Research GmbH omvatten de simulatie en validatie van voertuigonderdelen, de ontwikkeling van rijhulpsystemen en de optimalisatie van aandrijvingen. Door in te zetten op interdisciplinair onderzoek en praktische toepassingen, draagt het bedrijf aanzienlijk bij aan de toekomstige ontwikkelingen in de automobielindustrie en ondersteunt het de transformatie naar intelligente en milieuvriendelijke mobiliteitsconcepten.
ZwickRoell kerncompetenties bij het testen van batterijveiligheid
- Verkrijgen van reproduceerbare testresultaten bij het testen van batterijveiligheid
- Precisie en meetnauwkeurigheid van de testmachines
- Verbetering van de tijdsefficiëntie
- Uitstekend project en communicatie tussen partners
- Voorzichtige manipulatie van batterij-onderdelen
- Innovatieve producten en oplossingen
De taak
Batterijcellen: mechanische karakterisatie van componenten bij realistische omstandigheden
Lithium-ion batterijcellen (LIBs) bevatten een vloeibaar organisch elektrolyt dat toxisch en ontvlambaar is. Dit elektrolyt maakt het stromen van ionen tussen de elektroden mogelijk, en is daarom essentieel voor het functioneren van de LIBs. Elektrolyten zijn in essentie gebaseerd op een geleidend zout (gewoonlijk lithium hexafluorofosfaat), dat opgelost wordt in diverse organische koolstofcarbonaten zoals ethyleencarbonaat (EC) of dymethylcarbonaat (DMC).
Om een realistische testomgeving te creëren voor de te testen materialen, was het belangrijk voor Virtual Vehicle Research GmbH om de onderdelen te testen in een met elektrolyten bevochtigde toestand. Om te voldoen aan de veiligheidsvereisten in het testlaboratorium werd een vervangend elektrolyt gebruikt waarvoor geen lithium hexafluorofosfaat nodig is (LiPF6).
De hoofdtaak voor ZwickRoell was het mechanisch karakteriseren van alle individuele componenten van de batterijcel, en dit onder realistische condities. Een grote uitdaging was het inklemmen van de met elektrolyt bevochtigde samples zoals de separator, meestal uiterst dun (ca. 20 µm) en flexibel. Dit vereiste vooral delicate manipulatie en geduld.
ZwickRoell oplossingen voor het testen van batterijveiligheid
Trek- en druktests voor mechanische karakterisatie
De eerste opgave was het produceren van geschikte samples uit de celcomponenten. ZwickRoell sneed rechthoekige separatorsamples uit met een snijpers. Het ging vooral om de keramisch gecoate separatoren. De reden hiervoor is hun belangrijke rol bij het voorkomen van kortsluiting. De separator scheidt de elektroden van elkaar, zowel elektrisch als ruimtelijk. De separatorsamples werden enerzijds droog en anderzijds in een met elektrolyt doordrenkte (“natte”) toestand getest. Dankzij deze tests konden verschillende faalmethoden van separatoren aangetoond worden.
De samples voor de druktests bestonden uit in totaal 100 individuele op elkaar gestapelde lagen. De reden hiervoor is de verbeterde meetnauwkeurigheid voor de verandering in lengte. Eerst werd een voorlast aangebracht om de ruimte tussen de lagen te sluiten. Om de reproduceerbaarheid van de resultaten te verzekeren, werden in totaal vijf tests uitgevoerd per testconfiguratie.
Hiervoor werd een ZwickRoell Z100 AllroundLine testmachine gebruikt met een 100 kN Xforce krachtcel. Tijdens de druktest werd de verplaatsing gemeten via de traverseverplaatsing, rekening houdende met de stijfheid van de machine. Voor de rekmeting tijdens de trektests werd een video extensometer gebruikt.
Meer informatie over het testen van batterijen met ZwickRoell
“Het uitgebreide en professioneel voorbereide testrapport, dat meegestuurd werd met de testgegevens, verdient een speciale vermelding. Het weerspiegelt zowel de voorzichtige manipulatie van de individuele batterijcomponenten als de hoge nauwkeurigheid van de testmachines. Ondanks de grote uitdagingen bij het manipuleren van zeer dunne celcomponenten in een met elektrolyt bevochtigde toestand, wat de reële omstandigheden nabootst, konden de testingenieurs bij ZwickRoell reproduceerbare en betrouwbare testresultaten produceren.”
Dr. Patrick Kolm, Senior Researcher │ Battery Crash Safety
Het resultaat
Bevindingen over het mechanische vervormingsgedrag van separatoren
Trektests:
Figuur 1 toont de invloed van de treksnelheid (10 mm/min, 100 mm/min en 500 mm/min) en de invloed van het elektrolyt op de separatorsamples, getest in de dwarsrichting ter illustratie. De “nat” geteste separatoren werden onmiddellijk voor het testen genomen uit een bad met vervangend elektrolyt (mengsel van diëthyleencarbonaat en ethyleencarbonaat). De testresultaten tonen dat de “natte” separatorsamples een hogere stijfheid hebben dan de “droge” samples.
Over het algemeen blijkt dat met elektrolyt geïmpregneerde keramisch gecoate separatoren een grotere stijfheid vertonen wanneer ze op trek belast worden. Door het coaten van de separator met Al2O3 vormt zich aan het oppervlak een ruwe en poreuze structuur. Een mogelijke reden voor de hogere weerstand tegen vervorming is misschien de interactie tussen de coating en het elektrolyt, gebaseerd op adhesiekrachten.
Druktests:
Figuur 2 toont de invloed van het elektrolyt op de mechanische vervormingseigenschappen van de stapel separatoren. De kracht/verplaatsingscurven van een “droge” stapel separatoren worden vergeleken met een in een vervangend elektrolyt gedrenkte stapel (mengsel van diëthyleencarbonaat en ethyleencarbonaat). De testresultaten tonen dat de “natte” stapel separatoren een aanzienlijk lagere verhoging in kracht vertoont dan de “droge” stapel. Over het algemeen blijkt dat de met elektrolyt geïmpregneerde separatoren een lagere stijfheid vertonen onder drukbelasting. Deze bevindingen bevestigen dat een richtingsafhankelijke karakterisatie essentieel is voor een realistische parametrisering van de separator in het celsimulatiemodel.
Vooruitzichten:
De samenwerking tussen Virtual Vehicle en ZwickRoell wordt momenteel verder versterkt op vlak van de mechanische karakterisatie van celcomponenten onder drukbelasting via innovatieve testmethoden. Uiterst precieze ZwickRoell meettechnologie zal gebruikt worden als onderdeel van een wetenschappelijk project om zeer dunne (µm bereik) enkelvoudig gelaagde samples op druk te belasten om de kwaliteit van de materiaalgegevens voor de simulatie te verbeteren.
