Virtual Vehicle Research GmbH otimiza a segurança da bateria com a ZwickRoell
Case Study
- Cliente: Virtual Vehicle Research GmbH
- Local: Graz, Áustria
- Indústria: Automotivo
- Tema: Verifique a segurança da bateria: O para a caracterização mecânica de componentes de células de bateria para a parametrização de modelos de simulação de células de elementos finitos
Julho 2024
A Virtual Vehicle Research GmbH usa a tecnologia de medição da ZwickRoell para criar parâmetros para modelos de simulação de células de FE que descrevem com precisão o comportamento do material dos componentes da célula em caso de deformação. Benefícios práticos: Esses modelos são usados para prever curtos-circuitos internos e, assim, aumentar a segurança da bateria. E os resultados dos ensaios mecânicos formam a base para a simulação de células de bateria sob cargas de colisão.
A Virtual Vehicle Research GmbH pesquisa a mobilidade do futuro
A Virtual Vehicle Research GmbH é um centro internacional de pesquisa e desenvolvimento especializado em tecnologia de veículos e mobilidade do futuro. Fundada em Graz (Áustria), a empresa trabalha com parceiros industriais, universidades e instituições de pesquisa para desenvolver tecnologias e métodos inovadores. O foco aqui é a digitalização e a virtualização dos processos de desenvolvimento, a segurança e a eficiência dos veículos e a mobilidade sustentável.
As principais competências da Virtual Vehicle Research GmbH incluem a simulação e a validação de componentes de veículos, o desenvolvimento de sistemas de assistência e a otimização de trens de força. Com seu foco em pesquisa interdisciplinar e soluções práticas, a empresa contribui significativamente para o desenvolvimento do setor automotivo e apoia a transformação para conceitos de mobilidade inteligentes e ecologicamente corretos.
As principais competências da ZwickRoell em ensaios de segurança de baterias
- Produção de resultados de ensaio reproduzíveis para ensaios de segurança de baterias
- Precisão e exatidão de medição das máquinas de ensaio
- Melhorar a eficiência do tempo
- Boa comunicação com o projeto e com os parceiros
- Manuseio cuidadoso dos componentes da bateria
- Produtos e soluções inovadores.
A tarefa
Células da bateria: Caracterização de componentes mecânicos em condições realistas
As células de bateria de íon-lítio (LIBs) contêm um eletrólito orgânico líquido que é tóxico e inflamável. Esse eletrólito permite o fluxo de íons entre os eletrodos e, portanto, é um componente essencial para garantir a funcionalidade das LIBs. Os eletrólitos são essencialmente baseados no sal condutor (geralmente hexafluorofosfato de lítio), que é dissolvido em vários carbonatos orgânicos, como o carbonato de etileno (EC) ou o carbonato de dimetila (DMC)
. Para criar um ambiente realista para os materiais a serem ensaiados, foi importante para a Virtual Vehicle Research GmbH ensaiar os componentes em um estado banhado por eletrólito. E, para cumprir as normas de segurança no laboratório de ensaios, foi usado um eletrólito de substituição para essa finalidade que não requer hexafluorofosfato de lítio (LiPF6).
A tarefa central da ZwickRoell era caracterizar mecanicamente todos os componentes individuais da célula da bateria, em condições realistas. Um grande desafio foi fixar as amostras banhadas em eletrólito, como o separador, que geralmente é muito fino (aprox. 20 µm) e flexível. Acima de tudo, isso exigiu sensibilidade e paciência.
A solução da ZwickRoell para ensaios de segurança de baterias
Ensaios de tração e compressão para caracterização mecânica
A primeira tarefa foi produzir amostras adequadas de componentes celulares. A ZwickRoell cortou amostras de separadores retangulares usando uma ferramenta de perfuração. O foco aqui foi o separador revestido de cerâmica. O motivo é seu papel fundamental na prevenção de curto-circuito. A tarefa do separador é separar os eletrodos uns dos outros, tanto elétrica quanto espacialmente. As amostras do separador foram submetidas a ensaios em um estado seco, por um lado, e em um estado banhado em eletrólito ("úmido"), por outro. Graças a esses ensaios, foi possível demonstrar diferentes comportamentos de falha dos separadores.
As amostras para os ensaios de compressão consistiram em um total de 100 camadas individuais empilhadas umas sobre as outras. O motivo dessa abordagem: Isso aumenta a precisão da medição para a mudança de comprimento no ensaio. Para fechar as lacunas entre as camadas, foi aplicada uma força de pré-tensionamento. Para garantir a reprodutibilidade dos resultados, foi realizado um total de cinco ensaios para cada configuração.
Uma ZwickRoell Z100 AllroundLine com uma célula de carga Xforce 100 kN foi usada como máquina de ensaio.
No ensaio de compressão, o deslocamento foi medido usando um sistema de medição de deslocamento de cruzeta, levando em conta a rigidez da máquina. Um vídeo extensômetro de foi usado para medir a deformação durante os ensaios de tração.
"O relatório de ensaio abrangente e profissionalmente preparado, que foi enviado prontamente junto com os dados do ensaio, merece uma menção especial. Isso reflete tanto o manuseio cuidadoso dos componentes individuais da bateria quanto a alta precisão das máquinas de ensaio. Apesar dos grandes desafios de lidar com componentes individuais de células muito finas no estado molhado por eletrólito, que imita as condições ambientais reais, os engenheiros de ensaio da ZwickRoell conseguiram gerar resultados de ensaio reproduzíveis e confiáveis."
Dr. Patrick Kolm, pesquisador sênior │ Segurança de colisão de baterias
O resultado
Descobertas sobre o comportamento de deformação mecânica dos separadores
Ensaios de tração:
A Figura 1 mostra, além da influência da velocidade de tração (10 mm/min, 100 mm/min e 500 mm/min), a influência do eletrólito nas amostras do separador, que foram ensaiadas na direção transversal como exemplo. Os separadores ensaiados "úmidos" foram removidos de um banho de eletrólito de substituição (mistura de carbonato de dietileno e carbonato de etileno) imediatamente antes do ensaio. Os resultados do ensaio mostram que as amostras do separador "úmido" têm maior rigidez do que as amostras "secas".
Em geral, pode-se observar que os separadores revestidos com cerâmica impregnada de eletrólito apresentam maior rigidez quando submetidos à tensão de tração. Ao revestir o separador com Al2O3, a superfície forma uma estrutura áspera e porosa. Um possível motivo para a maior resistência à deformação pode ser a interação entre o revestimento e o eletrólito, que se baseia em forças de adesão.
Ensaio de impressão:
In Figura 2 mostra a influência do eletrólito no comportamento de deformação mecânica da pilha do separador. Ela mostra a comparação das curvas de força-deslocamento da pilha do separador previamente embebida em um eletrólito substituto (mistura de carbonato de dietileno e carbonato de etileno) e uma pilha "seca". Os resultados do ensaio mostram que a pilha separadora "úmida" produz um aumento de força significativamente menor do que a pilha "seca". Em geral, pode-se observar que os separadores impregnados com eletrólito apresentam menor rigidez sob carga de pressão. Essas descobertas confirmam que uma caracterização dependente da direção é essencial para uma parametrização realista do separador no modelo de simulação de célula.
Perspectivas:
Atualmente, a colaboração entre a Virtual Vehicle e a ZwickRoell está sendo intensificada com relação à caracterização mecânica dos componentes da célula sob carga de pressão por meio da aplicação de métodos de medição inovadores. Como parte de um projeto científico, a tecnologia de medição de alta precisão da ZwickRoell deve ser usada para caracterizar amostras de componentes de camada única muito finas (faixa de μm) sob carga compressiva, a fim de melhorar continuamente a qualidade dos dados do material para a simulação
