Ensaio de bateria
A eletrificação do setor de transporte é decisivamente influenciada por baterias de íon de lítio. Papel fundamental no desenvolvimento contínuo de componentes de célula de bateria, células de bateria e módulos de bateria possui a área de pesquisa e desenvolvimento, em conjunto com a abrangente qualidade assegurada. Ensaio de baterias para caracterização dos materiais utilizados e criação de características de produto intermediário são pré-requisitos decisivos para o progresso.
Com nossa expertise de longos anos no ensaio mecânico no âmbito de eletromobilidade sempre oferecemos o método de ensaio adequado ao longo de toda a cadeia de fornecimento para todas as variantes de bateria disponíveis. Desde a matéria prima, passando por insumos, células e componentes de célula até a montagem final no veículo e a reciclagem – A ZwickRoell é seu parceiro competente para o ensaio de bateria abrangente.
Em estreita cooperação com empresas líderes do setor da indústria, estabelecimentos científicos e institutos de pesquisa oferecemos um amplo espectro de métodos de ensaios mecânicos de bateria específicos…
Ensaios de tração Ensaios de fadiga Ensaios de flexão Ensaios de compressão Ensaios de peel/aderência/atrito Baterias de estado sólido Tour de laboratório virtual de 360° Consultoria & Ensaios prévios Downloads
…assim como métodos de ensaio funcionais e estruturais.
Dependendo do range de aplicação existem diferentes tipos de bateria com diferentes características. Os mais conhecidos: Baterias de íons de lítio. Elas são utilizadas em um grande número de equipamentos eletrônicos e veículos elétricos (EV battery, Electric Vehicle Battery). Além disso, existem diferentes químicas de célula em constante desenvolvimento contínuo. As químicas de célula geram características heterogêneas das baterias, motivo pelo qual a caracterização exata também é importante quanto à mecânica. Formatos de célula como por ex. células cilíndricas, células prismáticas e células Pouch oferecem múltiplas vantagens e desvantagens em relação à densidade energética, necessidade de espaço e capacidade de desempenho. Por esse motivo, a seleção do tipo de bateria adequado e do formato de célula sempre depende também dos requisitos específicos da respectiva aplicação. Em resumo pode-se afirmar que no âmbito do desenvolvimento e da produção de baterias se trata de uma grande variedade de diferentes abordagens. Isso, portanto, também requer um grande número de métodos de ensaio.
Como as baterias são fabricadas? Onde o ensaio de bateria mecânico é importante?
- A cadeia de fornecimento das baterias de íons de lítio começa com a extração de matérias primas como lítio, cobalto, níquel e alumínio.
- Após o processamento da matéria prima são fabricados, em um processo trabalhoso, os componentes de célula, inclusive ânodo, cátodo e eletrolito. Nesse processo, ou seja, na fabricação dos componentes de célula, os ensaios são importantes para, de um lado, assegurar a qualidade e confiabilidade, e, de outro lado, gerar por meio da caracterização das características do produto intermediário dados importantes para simulações de múltiplos aspectos físicos.
- Na sequência, as células de bateria são produzidas e montadas em baterias de alta voltagem. Também aqui o ensaio de bateria mecânico possui papel decisivo uma vez que ele garante a funcionalidade e segurança da bateria. São apurados dados para poder avaliar o comportamento das células de bateria e dos módulos na utilização diária.
Com nossos múltiplos métodos de ensaio ao longo da cadeia de suprimento contribuímos ao fornecimento de respostas às mais importantes perguntas da indústria e da pesquisa:
“Como podemos padronizar nossos processos? Como reduzimos nossos custos com aumento simultâneo dos números de produção? Como asseguramos qualidade e segurança altas e constantes? Como reduzimos os custos de energia, de insumos e de matérias primas e, dessa forma, contribuímos ao meio ambiente sustentável?“
Aleksander Koprivc - ZwickRoell Business Development Manager Automotive-Electrification
Será nosso prazer oferecer-lhe ajuda para responder a suas perguntas quanto ao ensaio de baterias.
Ensaio de baterias mecânico: Folhas, eletrodos, separadores e carcaça da célula
O ensaio de bateria mecânico de folhas, eletrodos, separadores e carcaça de célula possui papel decisivo para garantir e aprimorar não somente a qualidade e o desempenho, mas também para assegurar a produção sem falhas. Ensaios de tração, compressão, flexão, fadiga e aderência permitem a caracterização realista de referidos componentes de bateria. Além disso, os dados obtidos servem como base para simulações de múltiplos aspectos físicos. Elas são utilizadas para a previsão numérica do comportamento da bateria, por ex. em caso de acidente.
Ensaios de tração em folhas de bateria e eletrodos revestidos
Ensaios de tração em folhas de bateria e eletrodos revestidos determinam a resistência mecânica e a deformação.
O ensaio de folhas de bateria traz altos requisitos quanto à tecnologia de ensaio, especialmente no caso de folhas de baixa espessura de <10 µm, dependendo da área de utilização. A garantia de resultados sólidos, repetíveis, reprodutíveis e, portanto, resultados confiáveis requer o manuseio preciso das amostras e a fixação confiável das amostras. Portanto, função decisiva na determinação exata das características dos materiais no ensaio de tração possuem:
- o alinhamento vertical da amostra
- tecnologias de fixação não danificadoras e
- a apuração sem contato da extensão por meio deextensômetros sem contato, como por ex. o extensômetro de vídeo VideoXtens
Cortador de tiras de filme plástico para filmes de bateria
Suporte para inserção de amostras
Garras pneumáticas
Vídeo: Ensaio de tração em folha de bateria - DIN 50154 / ASTM E345
Normas como a DIN 50154 e a ASTM E345 para o ensaio de tração em folhas de bateria finas (folhas de alumínio e folhas de cobre, separadores de polímero) podem ser consideradas nas sequências de ensaio, com o suporte oferecido pelo software de ensaios testXpert da ZwickRoell, que garante a execução conforme a norma.
Por meio da cooperação ativa no desenvolvimento contínuo de normas, especialmente para materiais de bateria, é assegurado que os métodos de ensaio da ZwickRoell atendam também futuramente a todos os requisitos.
Ensaio de tração em folhas de lítio metálico
Desafios especiais surgem no ensaio de folhas de lítio metálico uma vez que sua resistência à tração somente pode ser determinada em um ambiente inerte. Para tal, a ZwickRoell oferece câmaras especiais de atmosfera inerte (Glove boxes), preparação de amostras e manipulação de amostras. Elas permitem o ensaio exato em condições controladas para resultados exatos.
Ensaio de tração em folhas separadoras
Folhas separadoras possuem função decisiva em células de bateria providenciando o isolamento elétrico de ânodo e cátodo e permitindo simultaneamente a passagem de lítio-íons. A eficiência, o ciclo de vida útil e a segurança de células de bateria dependem decisivamente da função dos separadores. Os principais requisitos de tecnologia de ensaio quanto aos separadores são atendidos por meio do ensaio de tração conforme ISO 527-3 e ASTM D882 e por meio dos Características de tração ISO 527-3 . Estes ensaios também são realizados em estado umedecido por eletrólito para determinar os valores característicos mecânicos o mais próximo possível à realidade.
Outro aspecto relevante é o comportamento do separador em relação ao coeficiente de fricção entre o revestimento do eletrodo e o separador. Estes valores característicos são especialmente importantes para o ajuste dos parâmetros de produção nos processos de bobinar. A ZwickRoell possibilita não somente ensaios a temperatura ambiente, mas também a temperaturas próximas à temperatura operacional na faixa de -20 °C até +50 °C com o auxílio da câmara de temperatura da ZwickRoell. Isso garante a ampla caracterização das folhas separadoras em diferentes condições.
Para poder executar de forma automatizada ensaios de tração em folhas de bateria e eletrodos revestidos está disponível nosso sistema robotizado de ensaios roboTest F, que foi desenvolvido especialmente para o ensaio automatizado de amostras dimensionalmente não estáveis.
Você gostaria de saber mais sobre nossas opções de automatização no ensaio de folhas de bateria?
Será um prazer oferecer-lhe uma orientação!
Ensaios de fadiga em folhas de bateria
Folhas de bateria feitas em cobre e alumínio atuam como coletor de corrente em baterias de íons de lítio e estão expostas a diferentes cargas no processo de produção e também durante o uso da bateria.
- Durante o processo de produção podem ocorrer falhas de revestimento como por ex. pontos de ausência de revestimento ou de distribuição desigual. Embora o processo de calandragem consiga minimizar referidas falhas, não é possível sua eliminação completa.
- No modo operacional de bateria as folhas estão sujeitas a cargas térmicas e mecânicas as quais poderão causar fadiga. Além disso, reações químicas com eletrolitos poderão causar corrosão e comprometer o desempenho da bateria.
É relevante observar que cargas específicas e fadigas dependem de muitos fatores, entre eles o design da bateria e as condições operacionais. Por esse motivo, o desenvolvimento e a otimização de baterias sempre requerem a profunda análise e caracterização de folhas de baterias por meio ensaios de fadiga.
Por meio das pequenas forças de ensaio da máquina de ensaios eletrodinâmicos LTM ensaios de fadiga podem ser executados sem problema justamente no caso de amostras sensíveis. A LTM está equipada com tecnologia de acionamento sem óleo. O motor linear é especialmente silencioso e ideal para a utilização no laboratório.
Para que a folha de bateria não seja danificada pelas lâminas do braço de medição, a medição da variação da deformação é feita com o auxílio do extensômetro de vídeo videoXtens dynamic sem contato.
Ensaios de flexão em revestimentos de eletrodos
Ensaios de flexão para determinação da resistência à flexão do revestimento de material ativo são muito importantes para o ciclo de vida útil de baterias de íons de lítio.
O material ativo dos eletrodos é constituído pelo revestimento de 50–100 µm em espessura, cujas características mecânicas podem apresentar fortes variações em decorrência da composição química e do processo de produção. Conhecê-las é importante para definir configurações otimizadas dos parâmetros de produção como por ex. velocidade de passagem, ângulo dos rolos e forças de pré-tensão. A determinação da resistência á flexão por meio de um dispositivo de flexão de 2 pontos possibilita, ainda, a determinação do ângulo e/ou raio de flexão máximo admissível com o qual o revestimento permanece intacto e o contato entre filme condutor e material ativo é mantido. Aqui a máquina de ensaios zwickiLine com dispositivo de flexão de 2 pontos e célula de carga integrada de alta resolução é a máquina de ensaios adequada.
Ensaios de compressão para folhas de bateria, material ativo e eletrodos revestidos
A compressão sob a qual as camadas de eletrodos e de separadores podem ser empilhadas é relevante para o contato efetivo dentro da célula. A compressão influencia decisivamente o ciclo de vida em fadiga e o desempenho da célula.
A ZwickRoell oferece diferentes tipos de ensaios de compressão para folhas de bateria, material ativo e eletrodos revestidos para caracterizar e simular os estados de carga dinâmica com exatidão.
- O processo de calandragem possui função central na fabricação de eletrodos para baterias de íons de lítio. Neste processo uma pasta de material ativo, ligante e aditivo condutor é aplicada sobre uma folha metálica (cobre para o ânodo, alumínio para o cátodo). Por meio de cilindros trabalhando sob pressão e temperatura a folha revestida é prensada e forma uma camada fina uniforme.
- A densidade energética de células de bateria de íons de lítio , que influencia decisivamente o alcance de veículos de motor elétrico, depende em grande parte desse passo processual. A variação dos fatores de processo permite a otimização dos parâmetros de instalações e materiais.
- Medições de deformações por compressão são muito relevantes uma vez que elas contribuem ao monitoramento e controle da qualidade e da consistência dos eletrodos. As medições fornecem esclarecimento sobre o embutimento do material ativo no eletrodo e sobre a possibilidade de desprendimentos durante o uso da bateria. Além do mais, elas contribuem à determinação da compressão otimizada e da temperatura otimizada para o processo de calandragem para alcançar a máxima densidade energética e o desempenho máximo da bateria.
Análise multifuncional de eletrodos revestidos e pilhas de células prototípicas (jelly rolls)
No ensaio de eletrodos revestidos e pilhas de células prototípicas é importante a caracterização dos materiais e componentes para garantir a longo prazo sua eficiência, seu desempenho e ciclo de vida em fadiga. Estes valores característicos são de importância decisiva para Pesquisa & Desenvolvimento e também para a Garantia de Qualidade.
A ZwickRoell desenvolveu para esse fim o Multifunctional Cell Component Analyzer (MCCA). Os três medidores de deslocamento lineares de alta precisão e a unidade de nivelamento permitem a aplicação exata da pressão sobre uma superfície do eletrodo. Isso permite a exata medição da variação da espessura do eletrodo em condições de compressão realistas. Simultaneamente é feita a medição da resistência elétrica por meio do anel de aperto dourado o que permite a avaliação em dependência da pressão.
Durante o processo de carga e descarga elétrica a célula aumenta e diminui, o que é conhecido como "Battery Swelling". Isso causa variações na compressão dos componentes individuais. O dispositivo de ensaio MCCA permite ensaios de “Battery Swelling” de alta precisão em células elementares prototípicas como por ex. Coin Cells e contribui para a caracterização exata do comportamento no ciclo de carga e descarga da menor pilha de componentes de células repetida no Jelly roll.
Vantagens do Multifunctional Cell Component Analyzer:
- Medição de alta precisão do comportamento de tensão-deformação de eletrodos revestidos sob pressão
- Medição da resistência elétrica em dependência da pressão
- Medição do comportamento de “Battery Swelling“ de células elementares prototípicas (Coin Cells)
Ensaios de compressão de alta precisão no processo de revestimento de eletrodos
Um grande desafio na produção de baterias é o processo de revestimento dos elétrodos. Para a operação segura da bateria deve ser assegurada uma excelente estabilidade mecânica e um comportamento de envelhecimento previsível do material ativo.
- Para tal é importante a análise detalhada do comportamento de folhas de bateria e de eletrodos revestidos sob pressão . Por meio de indentação nanométrica instrumentada são geradas curvas de força-deslocamento o que permite captar um módulo de indentação no ensaio de compressão para camadas extremamente finas. Isso fornece dados essenciais para o desenvolvimento de materiais, a garantia de qualidade e a simulação de baterias.
- A conexão entre material ativo, slurry e a folha-suporte da bateria é relevante para a qualidade e o desempenho. Para garantir a aderência otimizada é necessário que os grãos do material ativo penetrem na folha causando nela mínimas deformações. O indentador nanométrico ZHN da ZwickRoell permite a análise experimental dessa pequena deformação de modo que por meio da caracterização do comportamento da folha a melhor aderência possível entre a folha-suporte e o material ativo pode ser alcançada.
Determinação do comportamento de assentamento de folhas separadoras
Os materiais utilizados nas folhas separadoras poderão apresentar comportamento de assentamento quando expostos a cargas cíclicas. O comportamento de assentamento, que causa uma alteração da espessura da folha, poderá comprometer o desempenho e o ciclo de vida em fadiga da bateria. Com as máquinas universais para ensaios de tração e de compressão e com as bancadas de ensaio especiais para ensaios de compressão, MCCA e indentador nanométrico, a ZwickRoell oferece diferentes métodos de ensaio para caracterização do comportamento de assentamento de folhas separadoras.
Ensaios de peel e de aderência no ensaio de baterias
Além dos valores característicos mecânicos também é de grande importância a aderência dos revestimentos em um ou em dois lados do filme condutor, uma vez que esta conexão é relevante para a condutibilidade interna da bateria. Visto que a aderência poderá sofrer alterações com o envelhecimento da bateria, é importante assegurar que a conexão esteja garantida de forma permanente. Isso pode ser assegurado por meio de ensaios de peel e de aderência. Desprendimentos do material ativo que flutuam no eletrolito comprometem a segurança da célula significativamente. Por esse motivo, a verificação da aderência do revestimento do eletrodo tanto no ânodo quanto no cátodo é de suma importância para o monitoramento da produção diretamente na linha de fabricação da célula.
A aderência mecânica entre o material ativo e o substrato é determinada de diferentes maneiras:
Ensaios de peel de 90° e 180°
O método mais comum para determinar a aderência mecânica entre o material ativo e o substrato é o ensaio de cisalhamento e tração com o ângulo de cisalhamento de 90° ou 180°.
- Nas duas variantes, o filme revestido é aplicado sobre o material-suporte e, em seguida, retirado pela máquina para ensaios no ângulo de cisalhamento indicado.
- Os métodos não são normalizados e, portanto, sua comparação se torna muito difícil.
- A importante avaliação qualitativa do tipo de falha (ruptura de coesão ou ruptura de aderência) é com esse método somente possível de forma limitada.
- Outras desvantagens desse ensaio são o alto consumo de material e a trabalhosa preparação das amostras.
Ensaio de aderência Z-Direction
Uma forma mais confiável e reprodutível de determinação da aderência e da avaliação do tipo de falha é o ensaio de aderência Z-Direction. No dispositivo de aderência e tração “Z-Direction” é possível preparar cinco amostras simultaneamente mediante um único dispositivo de amostras. Ademais, a máquina de ensaios executa de forma automatizada os parâmetros definidos para pressão de aderência e duração de aderência, de forma idêntica para cada uma das amostras. Este dispositivo de ensaio contribui à redução da influência do operador sobre o resultado de medição em comparação a ensaios de peel.
Em seguida, cada uma das amostras é retirada em direção Z e um valor de aderência máximo claro é determinado. Além da preparação muito eficiente das amostras e da alta exatidão de repetição, este método permite também a determinação inequívoca dos elementos de coesão e aderência do quadro de ruptura. A boa comparabilidade dos resultados obtida por meio desse método de ensaio permite simultaneamente o monitoramento confiável da qualidade de revestimento no processo de produção.
Ensaios de fricção em revestimentos de eletrodos, folhas condutoras e separadores
A determinação do coeficiente de fricção de revestimentos de eletrodos, folhas condutoras e separadores na produção de baterias de lítio-íons é de suma importância para identificar potenciais problemas durante o processo de fabricação e assegurar a qualidade e o desempenho das baterias.
Possíveis ensaios de fricção são:
- Ensaio de aderência da camada: A aderência entre as diferentes camadas é analisada na célula de bateria. A aplicação de uma força ou carga definidas permite a avaliação da tendência de separação ou de aderência das camadas. As forças de separação de camada resultantes permitem conclusões quanto aos coeficientes de fricção.
- Ensaio de força de contato e de deslocamento: Esses ensaios realizam a medição da força necessária para a separação de ou o deslocamento entre materiais com diferentes revestimentos ou superfícies. Isso possibilita o entendimento do comportamento dos materiais sob pressão e a quantificação do coeficiente de fricção.
Caracterização de componentes de bateria de estado sólido
Com a eliminação do eletrolito líquido em baterias de estado sólido surgem novos desafios como contatação de camada-limite, expansão térmica e resistência ao envelhecimento. Para a caracterização de componentes de bateria de estado sólido a ZwickRoell oferece amplos métodos de ensaio para os requisitos especiais de baterias de estado sólido.
- A caracterização mecânica de um ânodo de lítio metálico pode ser desafiadora. A preparação de amostras e a determinação da resistência à tração devem ser feitas por motivo da forte degradação em um ambiente de gases inertes. Ademais, o material sensível e dúctil requer manuseio extremamente cauteloso em fixações de amostra especiais e a determinação confiável da extensão com o auxílio de um extensômetro sem contato. A ZwickRoell oferece para tal câmaras especiais de atmosfera inerte (Glove boxes), preparação de amostras e manipulação de amostras assim como um extensômetro sem contato adaptado, com o qual é possível a medição sem contato com a amostra.
- Outro desafio é a determinação das propriedades mecânicas de outros componentes como por ex. do cátodo compósito ou do separador de eletrólito de estado sólido. As resistências desses componentes são decisivos para o projeto dos processos de fabricação e/ou da funcionalidade segura no modo operacional de bateria. Com um indentador nanométrico ZHN podem ser caracterizados eletrolitos sólidos de polímeros, óxidos ou sulfuretos com diferentes propriedades mecânicas para fins de análise do módulo de elasticidade, da dureza, resistência à flexão e resistência à fratura.
Ensaio funcional e estrutural de bateria: Componentes de bateria, células e conjuntos de células
O ensaio funcional e estrutural de células e conexões de células possui função decisiva na montagem de células de módulos e pacotes assim como para a segurança na utilização da bateria. O Battery Swelling, o inchaço das baterias durante o processo de carga e descarga, é determinado por meio de Swelling-Tests de alta precisão para levá-lo em consideração nos demais passos. A pressão predominante na célula é analisada por meio de ensaios de esmagamento e de flexão, inclusive ensaios de abuso como por ex. o ensaio de punção por prego.
Battery Swelling Test: Caracterização do comportamento da célula no ciclo de carga e descarga
O comportamento das células de bateria durante o processo de carga e descarga, em especial a expansão da célula, o assim chamado "Battery Swelling" ou "Battery Breathing", influencia o desempenho e a longevidade. Esse fenômeno aparece de forma especialmente nítida nas células prismáticas e nas células Pouch assim como em baterias de estado sólido. No entanto, também a compreensão da expansão de células cilíndricas se torna cada vez mais importante no desenvolvimento de novas gerações de baterias.
A caracterização exata do comportamento com controle simultâneo da temperatura é relevante. Desta forma deve ser considerada a respiração da célula para a montagem no módulo uma vez que a expansão das células no módulo provoca uma alteração da pressão sobre a célula. A pressão e a temperatura influenciam significativamente a longevidade e o desempenho das células. Por esse motivo, a caracterização exata da respiração da célula e do swelling é relevante. A ZwickRoell oferece diferentes abordagens para a caracterização do comportamento da célula no ciclo de carga e descarga, inclusive ciclização elétrica, medição de deformação de alta precisão, sequências de ensaio de longo prazo e controle de temperatura.
- Controle de temperatura de toda a célula de bateria
A célula de bateria é aquecida com o auxílio de uma câmara de temperatura à temperatura operacional desejada, que será mantida constante na câmara durante o tempo de duração do ensaio. A regulagem é feita aqui conforme a temperatura ambiente na câmara de temperatura. A segurança durante o ensaio é garantida através da câmara de temperatura ou da câmara de proteção com Hazard Level adequado, dependendo do respectivo risco. - Controle exato de temperatura homogênea de toda a célula de bateria
Por meio do aquecimento e arrefecimento ativos do anel de aperto a temperatura homogênea da superfície da célula de bateria é, de um lado, controlada por cima e por baixo e regulada de forma exata. De outro lado, também é possível compensar variações locais da temperatura dentro da célula de bateria. Desta forma são evitadas temperaturas críticas por ex. no caso de altas correntes de descarga e é assegurado o ensaio confiável.
Esse tipo de ensaio foi desenvolvido em cooperação com a empresa MBTS . Em um artigo foi analisada agora minuciosamente a influência de diferentes temperaturas, pressões e índices de descarga quanto às características elétricas de uma célula de bateria de íons de lítio padronizada para aplicação automotiva.
Ir ao artigo
Amplo know-how no ensaio de materiais, acesso a todas as máquinas de ensaios de alta precisão e todo o portfólio de acessórios em nosso centro de ensaio de baterias ZwickRoell estão disponíveis para aconselhar-lhe na técnica de aplicação.
Você possui interesse por pré-ensaios gratuitos em nosso laboratório de ensaio de baterias? Será nosso prazer oferecer-lhe consultoria na seleção do equipamento de ensaio adequado.
