Virtual Vehicle Research GmbH optimizira varnost baterije z ZwickRoellom
Študija primera
- Kupec: Virtual Vehicle Research GmbH
- Lokacija: Gradec, Avstrija
- Industrija: Avtomobilizem
- Tema: Preskušanje varnosti akumulatorja: mehanska karakterizacija komponent akumulatorskih celic za parametrizacijo simulacijskih modelov celic s končnimi elementi
julij 2024
Preskušanje varnosti akumulatorja: mehanska karakterizacija komponent akumulatorskih celic za parametrizacijo simulacijskih modelov celic s končnimi elementi Praktična uporaba: ti modeli se uporabljajo za napovedovanje notranjih kratkih stikov in tako povečajo varnost baterije. In rezultati mehanskih preskusov tvorijo osnovo za simulacijo baterijskih celic pod udarnimi obremenitvami.
Virtual Vehicle Research GmbH izvaja raziskave za prihodnost mobilnosti
Virtual Vehicle Research GmbH je mednarodni center za raziskave in razvoj, specializiran za tehnologijo vozil in mobilnost prihodnosti. Podjetje, ustanovljeno v Gradcu (Avstrija), sodeluje z industrijskimi partnerji, univerzami in raziskovalnimi ustanovami pri razvoju inovativnih tehnologij in metod. Poudarek je na digitalizaciji in virtualizaciji razvojnih procesov, varnosti in učinkovitosti vozil ter trajnostni mobilnosti.
Glavne kompetence podjetja Virtual Vehicle Research GmbH vključujejo simulacijo in validacijo komponent vozil, razvoj asistenčnih sistemov in optimizacijo pogonskih sklopov. S svojo usmerjenostjo v interdisciplinarne raziskave in praktične rešitve podjetje pomembno prispeva k nadaljnjemu razvoju avtomobilske industrije in podpira preobrazbo k inteligentnim in okolju prijaznim konceptom mobilnosti.
ZwickRoell vrhunske kompetence pri preskušanju varnosti baterij
- Izdelava obnovljivih rezultatov preskusov za preskušanje varnosti baterij
- Preciznost in merilna točnost prskusnih strojev
- Izboljšanje časovne učinkovitosti
- Odlična projektna in partnerska komunikacija
- Previdno ravnanje s komponentami baterije
- Inovativni izdelki in rešitve
Naloga
Baterijske celice: karakterizacija mehanskih komponent v realnih pogojih
Litij-ionske baterijske celice (LIB) vsebujejo tekoči organski elektrolit, ki je strupen in vnetljiv. Ta elektrolit omogoča pretok ionov med elektrodama in je zato bistvena komponenta za zagotavljanje funkcionalnosti LIB. Elektroliti v bistvu temeljijo na prevodni soli (običajno litijevem heksafluorofosfatu), ki je raztopljena v različnih organskih karbonatih, kot sta etilen karbonat (EC) ali dimetil karbonat (DMC).
Da bi ustvarili realistično okolje za materiale, ki jih je treba preskušati, je bilo za Virtual Vehicle Research GmbH pomembno, da preskuša komponente v stanju, namočenem z elektrolitom. Da bi izpolnili varnostne predpise v preskusnem laboratoriju, je bil v ta namen uporabljen nadomestni elektrolit, ki ne zahteva litijevega heksafluorofosfata (LiPF6).
ZwickRoellova osrednja naloga je bila mehansko karakterizirati vse posamezne komponente baterijske celice v realnih pogojih. Velik izziv je bil prijemati z elektrolitom namočene vzorce, kot je separator, ki je na splošno zelo tanek (približno 20 µm) in upogljiv. Predvsem je to zahtevalo občutljivo ravnanje in potrpežljivost.
ZwickRoell rešitve za preskušanje varnosti baterij
Natezni in tlačni preskusi za mehansko karakterizacijo
Prva naloga je bila izdelava ustreznih vzorcev celičnih komponent. ZwickRoell je izrezal vzorce pravokotnega separatorja z orodjem za rezanje. Poudarek je bil na separatorju s keramično prevleko. Razlog za to je njegova ključna vloga pri preprečevanju kratkega stika. Naloga separatorja je električno in prostorsko ločiti elektrode med seboj. Vzorci separatorjev so bili na eni strani preskušani v suhem stanju, na drugi pa v z elektrolitom prepojenem (»mokrem«) stanju. Zahvaljujoč tem preskusom je bilo mogoče dokazati različna obnašanja separatorjev ob okvarah.
Vzorci za tlačne preskuse so bili sestavljeni iz skupaj 100 posameznih plasti, ki so bile zložene ena na drugo. Razlog za ta postopek: to poveča merilno natančnost za spremembo dolžine v preskusu. Za zapiranje rež med plastmi je bila uporabljena sila prednapetosti. Da bi zagotovili obnovljivost rezultatov, je bilo izvedenih skupno pet preskusov na preskusno konfiguracijo.
Uporabljen je bil preskusni stroj ZwickRoell Z100 AllroundLine s silomerom Xforce 100 kN. Pri tlačnem preskusu je bil pomik izmerjen s sistemom za merjenje pomika prečke, pri čemer je bila upoštevana togost stroja. Za merjenje deformacij pri nateznih preskusih je bil uporabljen video ekstenziometer.
»Posebej velja izpostaviti izčrpno in strokovno pripravljeno poročilo o preskušanju, ki je bilo v najkrajšem možnem času predloženo skupaj s podatki o preskušanju. Odraža skrbno ravnanje s posameznimi komponentami baterije in visoko natančnost preskusnih strojev. Kljub velikim izzivom pri ravnanju s posameznimi zelo tankimi celičnimi komponentami v stanju, namočenem z elektrolitom, ki posnema dejanske okoljske razmere, so ZwickRoellovi preskusni inženirji uspeli ustvariti obnovljive in zanesljive rezultate preskusov.”
Dr. Patrick Kolm, višji raziskovalec │ Varnost pri trčenju baterije
Rezultat
Ugotovitve o mehanskem deformacijskem obnašanju separatorjev
Natezno preskušanje:
Slika 1 prikazuje vpliv natezne hitrosti (10 mm/min, 100 mm/min in 500 mm/min) in vpliv elektrolita na vzorce separatorja, ki smo jih na primeru preskušali v prečni smeri. "Mokri" preskušani separatorji so bili neposredno pred preskušanjem odstranjeni iz nadomestne elektrolitske kopeli (mešanica dietilen karbonata in etilen karbonata). Rezultati preskusa kažejo, da imajo vzorci "mokrega" separatorja večjo togost kot "suhi" vzorci.
Na splošno je mogoče opaziti, da imajo z elektrolitom impregnirani separatorji s keramično prevleko večjo togost, ko so izpostavljeni natezni obremenitvi. S prevleko separatorja z Al2O3 površina tvori hrapavo in porozno strukturo. Eden od možnih razlogov za večjo deformacijsko odpornost je lahko interakcija med prevleko in elektrolitom, ki temelji na adhezijski sili.
Tlačno preskušanje:
Slika 2 prikazuje vpliv elektrolita na obnašanje mehanske deformacije separatorskega sklada. Prikazuje primerjavo krivulj sile-poti separatorskega sklada, predhodno namočenega v nadomestnem elektrolitu (mešanica dietilen karbonata in etilen karbonata), in "suhega" sklada. Rezultati preskusa kažejo, da "mokri" separatorski sklad povzroči znatno manjše povečanje sile kot "suhi" sklad. Na splošno je mogoče opaziti, da imajo separatorji, impregnirani z elektrolitom, nižjo togost pri tlačni obremenitvi. Te ugotovitve potrjujejo, da je karakterizacija, odvisna od smeri, bistvena za realistično parametrizacijo separatorja v modelu celične simulacije.
Outlook:
Sodelovanje med Virtual Vehicle in ZwickRoell se trenutno še krepi v zvezi z mehansko karakterizacijo celičnih komponent pod tlačno obremenitvijo z uporabo inovativnih preskusnih metod. Kot del znanstvenega projekta naj bi se uporabljala visokonatančna merilna tehnologija ZwickRoell za karakterizacijo zelo tankih (razpon μm) enoslojnih vzorcev komponent pod tlačno obremenitvijo, da bi nenehno izboljševali kakovost podatkov o materialu za simulacijo.
