Компания Virtual Vehicle Research GmbH оптимизирует безопасность аккумуляторных батарей с помощью оборудования фирмы ZwickRoell
Случай из практики
- Заказчик: Компания Virtual Vehicle Research GmbH
- Город: Грац, Австрия
- Отрасль: Автомобильная промышленность
- Тема: Испытание аккумуляторных батарей на безопасность: определение механических характеристик компонентов аккумуляторных элементов и параметризации имитационных моделей методом конечных элементов
июль 2024
Специалисты компании Virtual Vehicle Research GmbH с помощью измерительной техники фирмы ZwickRoell создают параметры для имитационных моделей элементов FE, которые точно описывают поведение материала компонентов аккумуляторных элементов при деформации. Практическое применение: эти модели используются для прогнозирования внутренних коротких замыканий и, таким образом, повышения безопасности аккумуляторов. А результаты механических испытаний составляют основу для моделирования аккумуляторных элементов при ударных нагрузках.
Компания Virtual Vehicle Research GmbH проводит исследования в области мобильности будущего
Virtual Vehicle Research GmbH представляет собой международный центр исследований и разработок, специализирующийся на автомобильной технике и мобильности будущего. Основанная в городе Грац (Австрия) компания сотрудничает с промышленными партнерами, университетами и исследовательскими учреждениями, чтобы разрабатывать инновационные технологии и методики. Основное внимание уделяется цифровизации и виртуализации процессов разработки, безопасности и эффективности транспортных средств, а также экологичной мобильности.
К основным компетенциям компании Virtual Vehicle Research GmbH относятся моделирование и валидация автомобильных компонентов, разработка вспомогательных систем и оптимизация силовых агрегатов. Сосредоточив внимание на междисциплинарных исследованиях и практических решениях, компания вносит значительный вклад в дальнейшее развитие автомобильной промышленности и поддерживает переход к интеллектуальным и экологически чистым концепциям мобильности.
Высшая компетентность фирмы ZwickRoell в процессе испытаний аккумуляторов на безопасность
- Производство воспроизводимых результатов для испытаний аккумуляторов на безопасность
- Прецизионность и точность измерения испытательных машин
- Повышение эффективности использования времени
- Хорошее проектное и партнерское общение
- Внимательность при обращении с аккумуляторными компонентами
- Инновационные продукты и решения.
Задача
Элементы аккумуляторных батарей: определение механических характеристик компонентов в условиях, приближенных к реальным
В литий-ионных батареях (LIB) присутствует жидкий органический электролит, он токсичен и горюч. Этот электролит обеспечивает поток ионов между электродами, поэтому является важным компонентом для гарантии функционирования батарей LIB. По сути, электролиты основаны на проводящей соли (обычно гексафторфосфате лития), которая растворена в различных органических карбонатах (например, этиленкарбонате (ЭК) или диметилкарбонате (ДМК)).
Чтобы создать реалистичную среду для испытываемых материалов, компании Virtual Vehicle Research GmbH было важно проводить испытания компонентов, смоченных в электролите. А для соблюдения правил техники безопасности в лаборатории для этой цели был использован замещающий электролит, не требующий гексафторфосфата лития (LiPF6).
Главная задача для фирмы ZwickRoell состояла в определении механических характеристик отдельных компонентов аккумуляторной батареи в условиях, приближенных к реальным. Большая проблема заключалась в зажиме смоченных электролитом образцов (например, сепаратора), который обычно очень тонкий (ок. 20 мкм) и гибкий. Это требовало, прежде всего, чуткости и терпения.
Решение фирмы ZwickRoell для испытания аккумуляторов на безопасность
Испытания на растяжение и сжатие для определения механических характеристик
Первая задача состояла в создании подходящих образцов из компонентов аккумуляторных батарей. Для этого специалисты фирмы ZwickRoell вырезают прямоугольные образцы из сепараторов с помощью вырубного штампа. Основное внимание было уделено сепаратору с керамическим покрытием. Причина в его ключевой роли в предотвращении коротких замыканий. Задачей сепаратора является отделение электродов друг от друга как электрически, так и в пространстве. Образцы из сепараторов испытывали, с одной стороны, в сухом состоянии, а с другой - в пропитанном электролитом («влажном») состоянии. Благодаря этим испытаниям удалось выяснить различное поведение сепараторов при разрушении.
Образцы для испытаний на сжатие состоят из 100 сложенных в стопку отдельных слоев. Основание: это повышает точность измерения продольной деформации в процессе испытания. Для ликвидации зазоров между слоями было приложено предварительное усилие натяжения. Для гарантии воспроизводимости результатов всего было проведено по пять испытаний в каждой конфигурации.
Была использована испытательная машина Z100 AllroundLine фирмы ZwickRoell с датчиком силы Xforce на 100 кН. В процессе испытания на сжатие с помощью системы измерения перемещения траверсы было измерено смещение с учетом жесткости машины. При испытаниях на растяжение использовался видеоэкстензометр для измерения деформации.
Подробнее об испытаниях аккумуляторов на оборудовании фирмы ZwickRoell
«Особо следует выделить подробный и профессионально подготовленный отчет об испытаниях, который был оперативно представлен вместе с данными испытаний. Это отражает как бережное обращение с отдельными компонентами батареи, так и высокую точность испытательных машин. Несмотря на серьезные проблемы при работе с отдельными, очень тонкими компонентами в смоченном электролитом состоянии, которое имитирует реальные условия окружающей среды, инженеры фирмы ZwickRoell смогли получить воспроизводимые и надежные результаты испытаний».
Доктор Патрик Колм, старший научный сотрудник │ Battery Crash Safety
результат
Результаты исследования поведения сепараторов при механической деформации
Испытания на растяжение:
На рисунке 1 помимо влияния скорости растяжения (10 мм/мин, 100 мм/мин и 500 мм/мин) можно увидеть влияние электролита на образцы из сепараторов, испытываемых, например, в поперечном направлении. Испытываемые «влажными» сепараторы извлекались из резервуара с замещающим электролитом (смесь диэтиленкарбоната и этиленкарбоната) непосредственно перед испытанием. Результаты испытаний показывают, что «влажные» сепараторы обладают более высокой жесткостью, чем «сухие» образцы.
В целом наблюдается такой эффект, что пропитанные электролитом сепараторы с керамическим покрытием обладают более высокой прочностью, если их нагружать на растяжение. Благодаря покрытию сепаратора веществом Al2O3 поверхность образует шероховатую пористую структуру. Возможной причиной более высокой устойчивости к деформации может быть взаимодействие покрытия с электролитом, основанное на силах адгезии.
Испытание на сжатие:
На рисунке 2 представлено влияние электролита на поведение стопки сепараторов при механической деформации. Приведено сравнение кривых усилия/перемещения стопки предварительно смоченных в замещающем электролите (смесь диэтиленкарбоната и этиленкарбоната) сепараторов и стопки «сухих» сепараторов. Результаты испытаний показывают, что стопка «влажных» сепараторов вызывает значительно меньший рост усилия чем «сухая» стопка. В целом наблюдается такой эффект, что пропитанные электролитом сепараторы обладают меньшей прочностью при сжимающем нагружении. Эти результаты подтверждают, что зависимые от направления характеристики важны для реалистичной параметризации сепаратора в имитационной модели аккумулятора.
Перспективы:
Сотрудничество между фирмами Virtual Vehicle и ZwickRoell в настоящее время еще больше углубляется в отношении определения механических характеристик компонентов аккумуляторных батарей под нагрузкой с помощью инновационных методов измерения. В рамках научной работы высокоточная измерительная техника фирмы ZwickRoell позволяет определять характеристики очень тонких (диапазон мкм) однослойных образцов из компонентов аккумуляторов при сжатии с целью постоянного улучшения качества данных о материале для последующего моделирования
