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電動汽車論壇 電動汽車論壇-電動汽車網 『 電動汽車產業動態 』 IAM-AWP熱量計中心:通過量熱學可以提高電池的壽命和安全性
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IAM-AWP熱量計中心:通過量熱學可以提高電池的壽命和安全性  [復制鏈接]

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IAM-AWP熱量計中心:通過量熱學可以提高電池的壽命和安全性(第1頁) -  6372777232970030536775772.png

(圖片來源:KIT官網)

據外媒報道,卡爾斯魯厄理工學院應用材料學院(IAM-AWP)熱量計中心的負責人Carlos Ziebert博士解釋,如何通過量熱學提高鋰離子電池和鋰電池的壽命和安全性。

IAM-AWP熱量計中心成立于2011年,目前運營著歐洲最大的電池量熱學實驗室。該中心提供六個大小不同的加速速率熱量計,能夠對不同規格的電池進行測量,可以在絕熱和等周期(quasiadiabatic and isoperibolic)的環境下,根據正常和濫用條件(熱、電和機械),從材料、電池和電池組級別,評估鋰離子和非鋰電池的熱力學和熱安全數據。這些數據可應用于電池價值鏈的各個層面,比如安全材料設計,以及熱管理和安全系統的優化。

在材料層面上,差示掃描量熱儀(DSC)、激光導熱分析儀(LFA)和非常靈敏的塞塔拉姆C80 Tian-Calvet型量熱儀,提供了熱力學參數,比如熱容、導熱系數或材料層面的生成焓等。較大的塞塔拉姆MS80 Tian-Calvet型量熱儀,甚至可以匹配21700圓柱形電池。通過直接熱流測量,可以非常準確地測定電池在循環過程中產生的熱量。利用3D傳感器布置來測定熱流,其中樣品和參考容器都被帶有數百個熱電偶的環所包圍。

非鋰電池

這些研究對非鋰電池尤為重要。非鋰電池利用更加豐富的材料(如鈉、鎂),而不是鋰、鎳和鈷,并且是 POLiS(非鋰儲能)卓越集群(POLiS Cluster of Excellence)的研究重點。該項目每年的預算約為700萬歐元,計劃實施7年。在這個集群中,IAM-AWP熱量計中心負責熱特性和安全測試,首先進行小規模測試,然后持續安全地擴大電池規模。

目前的鋰離子電池

顯而易見,消費者是否愿意采取目前的鋰離子電池技術,在很大程度上取決于安全問題。因為電池可能因為熱失控而著火爆炸,同時釋放有毒氣體。因此,對于交通和固定存儲電氣化來說,熱管理和安全性至關重要。通過這六種強大的加速速率熱量計,可以有效提升電池的熱管理、循環壽命和安全性。

充放電過程中熱量的產生和耗散,與電池循環器相聯系。為了進行相關研究,將電池插入等周期環境熱量計(恒溫量熱計)或絕熱量熱計(無熱交換量熱計),通過位于量熱計艙蓋、艙底和側壁的加熱器和熱電偶,調整環境條件。在熱管理系統應用中,通過確定比熱容和傳熱系數,將所測得的溫度數據,轉換為產生和散發熱量的數據。

可以通過日歷老化和循環老化試驗,對電池的循環壽命進行研究。在固定的時間間隔內,觀察電池產生的熱量和溫度變化,作為健康狀態的參考值。當電池達到其終止標準時,利用熵測量和電化學阻抗譜,來測量可逆和不可逆熱。這些數據可以作為電等效電路模型和老化模型(基于阻抗)的相關參數。此外,還對一些電池進行事后分析,即在惰性氣體環境中分解,并確定其化學成分、形態和電極結構的變化。

此外,新電池的安全性,以及老化的潛在危險性,可以通過在加速速率熱量計中進行下列三種安全測試來定量確定:

電氣濫用:外部/內部短路試驗、過充試驗、過放試驗。

機械濫用:釘狀物測試。

熱濫用:加熱-等待-搜尋試驗、斜坡加熱試驗、熱傳播試驗。

觀察自熱、熱穩定性和熱失控,確定電池安全運行的關鍵參數及其臨界值。另一個重要問題涉及氣體排放,可在濫用試驗期間收集這些氣體并進行移地分析。氣相色譜分析法采用兩種檢測器,對氣體進行檢測和定量,包括質譜分析和熱導檢測器。了解各種電池濫用情況下產生的氣體成分,揭示相應的分解途徑,并提示所需要采取的防護措施,例如,延遲或防止由排氣物著火或熱逃逸引起的電池火災。

綜上所述,電池量熱法提供了相關定量和系統數據,反映電池和材料的溫度、熱量和壓力變化,為開發電池提供快速反饋信息,并可作為模擬輸入數據加以利用。


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