Virtual Vehicle Research GmbH optymalizuje bezpieczeństwo akumulatorów dzięki ZwickRoell
Case Study
- Klient: Virtual Vehicle Research GmbH
- Miejscowość: Graz, Austria
- Branża: Przemysł samochodowy
- Temat: Badanie bezpieczeństwa baterii: Charakterystyka mechaniczna elementów ogniw akumulatorowych do parametryzacji modeli symulacyjnych ogniw skończonych
Lipiec 2024
Firma Virtual Vehicle Research GmbH wykorzystuje technikę pomiarową ZwickRoell do tworzenia parametrów modeli symulacyjnych ogniw FE, które precyzyjnie opisują zachowanie materiałowe elementów ogniwa podczas deformacji. Praktyczne użycie: Modele te służą do przewidywania zwarć wewnętrznych i tym samym zwiększają bezpieczeństwo baterii. Wyniki testów mechanicznych stanowią podstawę do symulacji ogniw akumulatorowych pod obciążeniem awaryjnym.
Virtual Vehicle Research GmbH bada mobilność przyszłości
Virtual Vehicle Research GmbH to międzynarodowe centrum badawczo-rozwojowe specjalizujące się w technologii pojazdów i mobilności przyszłości. Założona w Grazu (Austria) firma współpracuje z partnerami przemysłowymi, uniwersytetami i instytucjami badawczymi w celu opracowania innowacyjnych technologii i metod. Nacisk położony jest na cyfryzację i wirtualizację procesów rozwojowych, bezpieczeństwo i wydajność pojazdów oraz zrównoważoną mobilność.
Podstawowe kompetencje Virtual Vehicle Research GmbH obejmują symulację i walidację komponentów pojazdów, rozwój systemów wspomagających i optymalizację układów napędowych. Koncentrując się na interdyscyplinarnych badaniach i praktycznych rozwiązaniach, firma wnosi znaczący wkład w dalszy rozwój branży motoryzacyjnej i wspiera transformację w kierunku inteligentnych i przyjaznych środowisku koncepcji mobilności.
Najwyższe kompetencje ZwickRoell w badaniu bezpieczeństwa akumulatorów
- Tworzenie powtarzalnych wyników badań bezpieczeństwa akumulatorów
- Precyzja i dokładność pomiarowa maszyn wytrzymałościowych
- Poprawa efektywności czasowej
- Dobry projekt i komunikacja z partnerem
- Zachowaj ostrożność podczas obchodzenia się z elementami akumulatora
- Innowacyjne produkty i rozwiązania.
Zadanie
Ogniwa akumulatorowe: Charakterystyka elementów mechanicznych w realistycznych warunkach
W akumulatorach litowo-jonowych (LIB) znajduje się płynny organiczny elektrolit, który jest toksyczny i łatwopalny. Elektrolit ten umożliwia przepływ jonów pomiędzy elektrodami i dlatego jest niezbędnym elementem zapewniającym funkcjonalność LIB. Zasadniczo elektrolity opierają się na soli przewodzącej (zwykle heksafluorofosforanu litu), która jest rozpuszczona w różnych węglanach organicznych, na przykład węglanie etylenu (EC) lub węglanie dimetylu (DMC).
Aby stworzyć realistyczne środowisko dla testowanych materiałów, dla Virtual Vehicle Research GmbH ważne było przebadanie komponentów w stanie zwilżonym elektrolitem . Aby zachować zgodność z przepisami bezpieczeństwa panującymi w laboratorium badawczym, zastosowano w tym celu elektrolit zastępczy niezawierający heksafluorofosforanu litu (LiPF6).
Głównym zadaniem firmy ZwickRoell było mechaniczne scharakteryzowanie wszystkich poszczególnych elementów ogniwa akumulatorowego – w realistycznych warunkach. Głównym wyzwaniem było zamocowanie próbek zwilżonych elektrolitem, takich jak separator, który jest zazwyczaj bardzo cienki (ok. 20 µm) i elastyczny. Wymagało to przede wszystkim wrażliwości i cierpliwości.
Rozwiązanie ZwickRoell do badania bezpieczeństwa akumulatorów
Próby rozciągania i ściskania dla charakterystyki mechanicznej
Pierwszym zadaniem było przygotowanie odpowiednich próbek komponentów komórkowych. W tym celu ZwickRoell wyciął prostokątne próbki separatorów za pomocą narzędzia wykrawającego. Przy czym skupiono się na separatorze z powłoką ceramiczną. Powodem jest jego kluczowa rola w zapobieganiu zwarciom. Zadaniem separatora jest oddzielenie elektrod od siebie zarówno elektrycznie, jak i przestrzennie. Z jednej strony próbki separatora badano w stanie suchym, a z drugiej strony w stanie nasączonym elektrolitem („mokrym”). Dzięki tym testom można było wykazać różne zachowanie separatorów w przypadku awarii.
Próbki do prób ściskania składały się łącznie ze 100 pojedynczych warstw ułożonych jedna na drugiej. Powód takiego podejścia: To podwyższa dokładność pomiarową zmiany wydłużenia w próbie. Aby zamknąć szczeliny pomiędzy warstwami, zastosowano siłę naprężenia wstępnego. Aby zapewnić powtarzalność wyników, przeprowadzono w sumie pięć prób na każdą konfigurację badawczą.
Jako maszynę badawczą została zastosowana ZwickRoell Z100 AllroundLine z głowicą pomiaru siły Xforce 100 kN. W próbie ściskania mierzono przemieszczenie za pomocą układu pomiaru drogi trawersy, biorąc pod uwagę sztywność maszyny. W próbach rozciągania zastosowano ekstensometr video w celu pomiaru wydłużenia .
„Na szczególną uwagę zasługuje kompleksowy i profesjonalnie przygotowany raport z testów, który został niezwłocznie przesłany wraz z danymi z badań. Odzwierciedla to zarówno ostrożne obchodzenie się z poszczególnymi elementami akumulatora, jak i wysoką precyzję maszyn badawczych. Pomimo poważnych wyzwań związanych z obsługą pojedynczych, bardzo cienkich elementów ogniwa w stanie zwilżonym elektrolitem, który naśladuje rzeczywiste warunki środowiskowe, inżynierom firmy ZwickRoell udało się wygenerować powtarzalne i wiarygodne wyniki badań."
Dr. Patrick Kolm, Senior Researcher │ Battery Crash Safety
Wynik
Ustalenia, dotyczące zachowania się separatorów przy odkształceniach mechanicznych
Próby rozciągania:
Na ilustracji 1 oprócz wpływu prędkości rozciągania (10 mm/min, 100 mm/min i 500 mm/min) można zaobserwować wpływ elektrolitu na próbki separatora, które badano przykładowo w kierunku poprzecznym. Separatory badane „na mokro” bezpośrednio przed badaniem wyjmowano z zastępczej kąpieli elektrolitowej (mieszaniny węglanu dietylenu i węglanu etylenu). Wyniki badań wykazały, że próbki separatora „mokre” charakteryzują się większą sztywnością niż próbki „suche”.
Ogólnie można zaobserwować, że separatory z powłoką ceramiczną nasączone elektrolitem charakteryzują się większą sztywnością, gdy są poddawane naprężeniom rozciągającym. Pokrycie separatora Al2O3 powoduje, że powierzchnia tworzy szorstką i porowatą strukturę. Możliwą przyczyną większej odporności na odkształcenia może być oddziaływanie powłoki z elektrolitem, które opiera się na siłach adhezji.
Próby ściskania:
Na ilustracji 2 przedstawia wpływ elektrolitu na zachowanie się stosu separatora przy odkształceniach mechanicznych. Przedstawia porównanie krzywych siła-droga stosu separatorów nasączonego wcześniej elektrolitem zastępczym (mieszaniną węglanu dietylenu i węglanu etylenu) oraz stosu „suchego”. Wyniki badań wykazały, że stos separatora „mokry” powoduje znacznie mniejszy przyrost siły niż stos „suchy”. Ogólnie można zaobserwować, że separatory nasączone elektrolitem mają niższą sztywność pod obciążeniem ściskającym. Odkrycia te potwierdzają, że charakterystyka zależna od kierunku jest niezbędna do realistycznej parametryzacji separatora w modelu symulacyjnym komórki.
Perspektywy:
Współpraca pomiędzy Virtual Vehicle i ZwickRoell jest obecnie pogłębiana w zakresie mechanicznej charakterystyki elementów ogniwa pod obciążeniem ściskającym poprzez zastosowanie innowacyjnych metod pomiarowych. W ramach prac naukowych wysoce precyzyjna technika pomiarowa ZwickRoell ma umożliwić charakteryzację bardzo cienkich (zakres μm) próbek jednowarstwowych komponentów pod obciążeniem ściskającym w celu ciągłego doskonalenia jakości danych materiałowych do symulacji
