Anonim

U usporedbi s drugim baterijama koje se često koriste, litij-ionske baterije poznate su po tome što imaju visoku gustoću energije i snage, dug radni vijek i po tome što se sastoje od materijala s niskim onečišćenjem.

Litij je najlakši metal u kemijskoj periodnoj tablici (atomska masa 6, 941 g / mol; gustoća 0, 53 g / cm 3 ) i ima najveći elektrokemijski potencijal svih metala (3, 0 V u odnosu na standardnu ​​vodikovu elektrodu).

Litijske baterije

Rezultat visokog električnog kapaciteta i visokih napona u stanici koji se mogu postići u kombinaciji s različitim materijalima katode čine ga idealnim materijalom elektroda za uređaje za skladištenje kemijske energije. Kao takve, litijeve baterije sve se više koriste u svim područjima svakodnevnog života. Primarno se koriste kao samostalno napajanje neovisno od mreže i kao odvodni akumulator za elektroničke uređaje.

n

Naročito je nalet na malim mobilnim elektroničkim uređajima (pametni telefoni, prijenosna računala, fotoaparati i alati, itd.) Doveo do njihova masovnog širenja. Međutim, litijeve baterije također se sve više koriste u segmentu malih vozila.

Rast upotrebe litijumskih baterija u automobilskoj industriji (npr. Hibridni pogonski sklopovi i visokonaponski električni pogonski sklopovi itd.) Trenutno nije ništa od fenomenalnog.

Primjerice, njemačka vlada najavila je svoj cilj povećati broj električnih vozila na 6 milijuna do 2025. godine, što mora ići ruku pod ruku s daljnjim razvojem sustava litijskih akumulatora. Prikladnost elektromehaničkog uređaja za pohranu energije posebno za uporabu unutar električnih vozila ovisi o raznim tehničkim, ekonomskim i ekološkim aspektima.

U tom trenutku, američki konzorcij za napredne baterije (USABC) identificirao je sigurnost i radni vijek, osim gustoće energije, kao ključne pokazatelje za postavljanje ciljeva razvoja baterije i mjerenje postignutog napretka.

Uz to, postoje i specifikacije za baterije sustava postavljene u automobilskoj industriji: potrebna su ekonomična rješenja velike gustoće energije i gustoće energije, koja primjetno ograničavaju iskoristivu volumetrijsku i gravimetrijsku opciju, što je na raspolaganju za dizajn baterija i termičko upravljanje.

Automobilski i sigurnosni

Upotreba litijumskih baterija u automobilskoj industriji omeđena je pitanjima toplinske sigurnosti zbog velikog kapaciteta, osobito kod visoko serijskih priključaka.

Razlog je taj što se litijeve baterije mogu koristiti samo u jasno propisanom radnom području definiranom temperaturom i naponom.

Izvan tog raspona upotreba litijumskih baterija može brzo dovesti do smanjenja performansi, ali i sigurnosnog rizika (morate samo razmišljati o požarima iz Dreamliner-a iz 2013. ili kad je HP još jednom morao prisjetiti više od 100.000 prijenosnih računala zbog jakog požara rizici na početku 2017.).

Uzimajući u obzir upute većine proizvođača baterija, sigurne temperature variraju za trenutne automobilske litijeve baterije (grafen / LiMn 2 O 4 ili skraćeno na C / LMO, C / LiCo x Ni y Mn z O 2 ili C / NCM, C / LiFePO 4 ili C / LFP, C / LiNi 0, 8 Co 015 Al 0, 05 O 2 ili C / NCA) su sljedeći: ispust na -20 ° C do + 55 ° C i punjenje na 0 ° C do + 45 ° C.

Za litij-ionske baterije s Ki 4 Ti 5 O 12 ili LTO negativnom elektrodom, vrijednost niske temperature je -30 ° C. Radni napon litij-ionskih baterija je obično između 1, 5 V i 4, 2 V, (C / LCO, C / NCA, C / NCM i C / LMO između 2, 5 V i 4, 2 V, za LTO / LMO na 1, 5 V do 2, 7 V a za C / LFP između 2, 0 V i 3, 7 V).

Kako se temperatura povećava, litijeve baterije reagiraju povećanjem tlaka u ćeliji, emitiranjem zapaljivih plinova i zapaljenjem ćelije, što kulminira začaranim, samopojačavajućim ciklusom u kojem baterija eksplozivno izgara (termički odvodi). Stoga je uporaba visokih temperatura problematična i vodi do oštećenja i kvara.

  • + 70 ° C: Samo zagrijavanje grafitne anode i elektrolita. Komponente s malim kotlom u elektrolitima počinju isparavati na 80 ° C i dovode do nakupljanja tlaka što može uzrokovati raspad stanica.
  • + 130 ° C: separator izrađen od PE, PP ili PE / PP troši pore (isključivanje). Separator se topi, dodatno zagrijavanje zbog kratkog spoja, autokatalizno povećanje temperature
  • + 250 ° C: Katodni materijali egzotermno reagiraju s elektrolitima (razgradnjom). Povećavanje tlaka u stanici zbog isparavanja i raspadanja plinova. Oticanje kućišta ćelije i potencijalno otvaranje (bježeći plinovi raspadanja su zapaljivi). Neki katodni materijali već se spontano raspadaju na temperaturama nižim od + 200 ° C i emitiraju toplinu i kisik u egzotermnoj reakciji, što može dovesti do toplinskog odljeva.
  • + 600 ° C: Katodni materijali se raspadaju i njihova je kristalna struktura izmijenjena. Otpuštanje kisika. Požar u ćeliji u kratkom vremenu. Toplinsko bježanje.
  • + 660 ° C: Taljenje aluminijskog kolektora struje (katode). Ispuštanje grafita s potencijalnim opasnostima zbog eksplozije prašine. Daljnje povećanje temperatura kod kojih aluminijski lim pozitivne elektrode počinje gorjeti (metalni gori).

U pogledu toplinskog upravljanja, vučne baterije podliježu širokom rasponu radnih uvjeta. Promjene vanjskih temperatura stoga predstavljaju veliki izazov za upravljanje toplinom i ne mogu se uspoređivati ​​s uvjetima pod kojima se u potrošačkoj elektronici koriste litijeve baterije.

Na primjer, korisni kapacitet se smanjuje u hladnim danima, jer se granični napon postiže ranije čime se smanjuje raspon vozila. Drugi izazov je zajamčeni radni vijek, koji se mora definirati kao osam do deset godina za automobilsku industriju.

To je usko povezano s toplinskim upravljanjem sustava baterije. Brzina starenja stanica ovisi o temperaturi i očituje se u padu kapaciteta i povećanju unutarnjeg otpora.

Stanje na kraju života

Kao takvo, stanje iskorištavanja definira se posebno ovisno o primjeni i dostiže se kad se dostigne 80% prvobitnog kapaciteta i / ili se unutarnji otpor udvostruči. Brzina starenja pri temperaturama iznad optimalnog raspona može se približiti Arrheniusovom jednadžbom: za svako povećanje temperature od 10K, radni vijek ćelije se prepolovi.

Stoga je važno naglasiti da je kritična ne samo prosječna temperatura stanice, već i gradijent temperature unutar stanice i između stanica.

Dokazano je da neravnomjerna raspodjela topline doprinosi preranom starenju i smanjenju kapaciteta stvaranjem lokalnih "vrućih mjesta".

Temperaturne razlike između stanica uzrokuju starenje različitih brzina: u lancu ćelija spojenih u nizu, najslabija stanica smanjuje životni vijek sustava. Stoga treba uzeti u obzir i prosječnu temperaturu i temperaturne razlike u sustavu upravljanja toplinom i akumulatorima (BTMS). Ukratko, idealna je situacija jednolična i dosljedna raspodjela temperature u baterijskom sustavu.

Studija “Homogenizacija prostorne i vremenske temperature u automobilskom modulu akumulatora s litij-ionskom vrećicom” [Gepp, Lorentz, März, Geffray & Guyon, 2017.] koju je nedavno objavio Fraunhofer Institut za integrirane sustave i uređaje tehnologija IISB (Erlangen) posebno je izgledala kod tog problema.

"Postoji jasno prepoznatljiv trend: gustoća energije litij-ionskih ćelija kontinuirano će se povećavati, čime će se u skoroj budućnosti poboljšati opseg električnih vozila s akumulatorima. No, kada se povećava količina energije, povećajte i rizik. "

„To podrazumijeva da će aspekti sigurnosti postajati sve važniji i morat ćete ih uzeti u obzir u procesu dizajniranja. I to je mjesto za koje su nam toplinski materijali postali posebno zanimljivi kako bi pružili ekonomski izvedivu alternativu skupim rješenjima za upravljanje hlađenjem “, objašnjava Markus Gepp, koji je vodio studiju i čiji će se nalazi ovdje detaljnije istražiti.

Zanimljiv aspekt njegovog pristupa je optimizacija termičkog upravljanja integriranjem novih materijala, a time i znatnim smanjenjem veličine i volumena. Struktura modula predstavljenog dizajna BTM opisana je na slici 1 ispod, koja odražava pogled na presjek odozgo:

panonska slika 1 170825_Elektronik_Praxis_Grafiken-01

Slika 1 - Koncept muda u prikazu presjeka

Listovi pirolitičkog grafita

Nadalje, kao razdjelnik topline korišten je pirolitički grafitni lim (PGS), što je novi ultra-lagani grafitni lim koji je razvio Panasonic, čija je toplinska vodljivost pet puta veća od bakra.

Listovi pirolitičkog grafita zalijepljeni su izravno za stanične površine i potpuno se uklapaju u PCM i metalne profile pomoću fleksibilnih i termički provodljivih ljepila.

Materijal za izmjenu faza temeljen na elastomerima postavljen je na način da, zbog svoje dodatne latentne apsorpcije topline, djeluje kao pufer u gornjem radnom temperaturnom rasponu stanica. Kao takav, toplinski je povezan paralelno s toplinskim putem između stanica i rashladnih ploča, pri čemu se put ne prekida.

Aluminijski profili dizajnirani su u obliku umetka za okvir od lijevanog plastike i pružaju mehaničku stabilnost i toplinsko sučelje s pločama za hlađenje.

Komercijalne pločice za hlađenje tekućine povezane su sa stlačivim otvorima za nadoknadu kako bi se nadoknadila geometrijska i proizvodna odstupanja kojima se mogu ukloniti zračne praznine. Sve stanice povezane su serijski pomoću ultrazvučnog zavarivanja. Prednost ovog dizajna je u tome što je postupak proizvodnje ekonomično isplativ čak i za male količine. Sl. 2 prikazuje sastavljeni prototip.

panasonic 2 170825_Elektronik_Praxis_Grafiken-03

Slika 2 - Prototip modula baterije

Termički dizajn

Termički dizajn modula akumulatora razvijen je u uskoj suradnji s različitim industrijskim partnerima i temelji se na integraciji i interakciji toplinskih materijala. Okviri s integriranim komponentama prikazani su na slici 3.

panasonic 3 170825_Elektronik_Praxis_Grafiken-04

Slika 3 - Okvir koji uključuje PGS foliju i PCM umetke

Kad je došlo do implementacije, brzo je donesena odluka o uključivanju Panasonicovog PGS-a, što Gepp objašnjava kako slijedi:

"U početku smo počeli raditi s modulom za vrećice s fiksnim grafitnim rashladnim pločama. Međutim, PGS je tada privukao našu pažnju zbog male gustoće materijala od 70 µm, fleksibilnosti / stabilnosti ciklusa savijanja i visoke vodljivosti od 1000 W / mK

Osim toga, plahta se može bez daljnjih postupaka izravno pričvrstiti na ćeliju, osiguravajući tako mali otpor toplotnog kontakta. Također, problem povećanja volumena ćelija, koji se javlja i unutar ciklusa punjenja i tijekom radnog vijeka, može se nadoknaditi fleksibilnim listovima odgovarajućim reljefnim naborima u kombinaciji s pjenama. "

Rezultati ovog dizajna govore sami za sebe i mogu se upozoriti na sljedeća tri kriterija:

  • Stupanj prostorne homogenizacije, koji se može definirati na temelju najveće izmjerene temperaturne razlike između stanica.
  • Stupanj vremenske homogenizacije, koji se određuje maksimalnim toplinskim otporom i stoga se odnosi na odnos maksimalnog povećanja / disipacije gubitka energije.
  • Režijski troškovi, koji se mjere i navode u težini i zapremini i zbog toga je mehanički dizajn mjerljiv i uporediv, neovisno o stanicama.

Homogenizacija prostorne temperature

Naziv struje punjenja 50 A (2C) s 10 A graničnom strujom pri 48 V i 130 A (5C) s isključenom strujom na 35 V stvara se kao ispitni ciklus (Sl. 4). Početna temperatura, temperatura okoline i temperatura rashladnog sredstva su postavljeni na 20 ° C.

Panasonic 4 170825_Elektronik_Praxis_Grafiken-05

Slika 4 - Električni ciklus opterećenja

Panasonic 5 170825_Elektronik_Praxis_Grafiken-06

Slika 5 - Maksimalna temperaturna razlika

Slika 5, gore, prikazuje maksimalnu temperaturnu razliku između najtoplije i najhladnije stanice s vrhom od 4, 3 ° C. Ova relativno mala vrijednost postiže se jer stanice imaju dobru toplinsku povezanost zahvaljujući grafitnim listovima, ali su istovremeno toplinski izolirane jedna od druge okvirom.

Slijedom toga, maksimalni gradijent između tople srednje i hladne vanjske stanice može se tako smanjiti.

Maksimalni toplinski otpor

Da bi se izračunao maksimalni toplinski otpor, mora se znati najveće povećanje temperature i izgubljeni gubitak snage kada je sustav u nepokretnom stanju.

U tu svrhu, modul sa hlađenjem tekućinom kontinuirano se okreće unutar izolirane temperaturne komore kako bi se postiglo gotovo stalno rasipanje topline dok se ne postigne stacionarno stanje.

Mjere se temperature stanica i ploča za hlađenje. Izdvojeni toplinski učinak može se odrediti iz brzine protoka i povećanja temperature rashladne tekućine.

Smanjena brzina protoka dovodi do većeg porasta temperature rashladnog sredstva i na taj način poboljšava točnost mjerenja. Zabilježeni rezultat je maksimalni toplinski otpor 0, 12 K / W između stanica i rashladnog sredstva, što znači porast temperature za 0, 12 ° C po vatu gubitka energije koji nastaje u stanicama.

Panasonic 6 170825_Elektronik_Praxis_Grafiken-07

Slika 6 -Srednje temperature stanica i ploča za hlađenje

Režijska procjena i specifikacije

Gravimetrijski i volumetrijski režijski troškovi odnose se na težinu i volumen ćelije kako je prikazano u tablici 1. Kao referentni se koristi akumulatorski modul Vauxhall Ampera sa usporedivim ćelijama iz LG Chem-a.

Zahvaljujući dizajnu okvira s Panasonicovim tankim i laganim grafitnim listovima kao raspodjelom topline, unatoč integraciji materijala za dodatnu promjenu faza, nadzemni dio se može smanjiti u težini za 25%, a u smislu volumena za 10%.

Sažetak

Zahvaljujući mjerenju prototipa, ova je studija uspjela pokazati kako se kombiniranjem i prilagođavanjem različitih materijala može optimizirati termičko upravljanje utjecajem na vijek trajanja i sigurnost modula baterije.

Predstavljeni akumulatorski modul konstruiran je, sastavljen i testiran u cilju prikazivanja mjera za homogenizaciju prostorne i vremenske temperature. Kao takve, uobičajene aluminijske ploče za hlađenje zamijenjene su tankim i laganim grafitnim limom (PGS) tvrtke Panasonic.

Razvijeni su novi integrirani jastučići za punjenje na bazi elastomera i PCM umetci na bazi elastičnog elastomera, koji su integrirani u sustav i povezani fleksibilnim i termički provodljivim ljepilom.