Libérer le potentiel de l'analyse des batteries - Applications des batteries
Table des matières
Maximiser l’efficacité et la sécurité des batteries
Dans un monde de plus en plus dépendant de l’énergie, les batteries jouent un rôle crucial pour un avenir durable.
Nos outils d’analyse précis sont conçus pour améliorer l’efficacité et la sécurité des batteries tout en prolongeant leur durée de vie.
Les technologies avancées visent à repousser les limites du possible dans l’analyse des batteries tout en contribuant à un monde plus respectueux de l’environnement.
Il s’agit d’explorer les moyens de rendre les batteries plus performantes, de les faire durer plus longtemps et de les rendre plus sûres.
Progrès et avantages technologiques à travers le développement des batteries de voiture et de téléphone portable
Introduction à la chimie des cellules de batteries
La chimie cellulaire est le principe fondamental qui sous-tend le fonctionnement et les performances des batteries.
Elle implique une interaction complexe entre les processus électrochimiques et la science des matériaux, qui constituent la base du stockage et de la restitution de l’énergie.
Dans cette interaction, les principaux composants d’une batterie – cathode, anode, électrolyte et séparateur – agissent de manière finement coordonnée pour stocker l’énergie électrique et la libérer efficacement.
La cathode et l’anode, les antagonistes électrochimiques dans une cellule de batterie, déterminent des paramètres essentiels tels que la tension de la cellule, la capacité énergétique et la stabilité des cycles grâce à leurs propriétés d’oxydoréduction qui dépendent du matériau.
Les matériaux de la cathode, tels que les oxydes de lithium et de cobalt ou le phosphate de lithium et de fer, et les matériaux de l’anode, notamment le graphite et les composites à base de silicium, font l’objet de recherches intensives afin d’obtenir des propriétés optimales en termes d’efficacité et de densité énergétiques.
L’électrolyte, un composant essentiel pour le transfert d’ions entre la cathode et l’anode, a un impact significatif sur la dynamique des ions et donc sur les performances globales de la batterie.
Le développement d’électrolytes innovants, qui assurent un transfert d’ions efficace tout en augmentant la stabilité thermique et chimique de la batterie, est un domaine de recherche essentiel.
Cela comprend l’étude des formulations d’électrolytes liquides et solides.
Le séparateur, une couche microporeuse qui sépare spatialement la cathode et l’anode, est essentiel pour éviter les courts-circuits internes.
Sa perméabilité et son intégrité mécanique sont essentielles pour la sécurité et la longévité de la batterie.
Une conception avancée du séparateur contribue à améliorer la diffusion des ions et à minimiser le risque de déstabilisation thermique.
Les dernières approches de recherche en matière de technologie des batteries, comme le développement d’électrolytes solides et de batteries lithium-soufre, visent à dépasser les limites des technologies lithium-ion conventionnelles.
Contrairement aux batteries lithium-ion traditionnelles qui utilisent des électrolytes liquides, les électrolytes à l’état solide sont constitués d’un matériau solide qui peut néanmoins conduire les ions.
Ces électrolytes solides éliminent bon nombre des inconvénients des électrolytes liquides, tels que le risque de fuite ou l’inflammabilité.
Les avantages des électrolytes solides comprennent :
1. densité énergétique accrue : l’utilisation d’électrolytes solides permet à la batterie de stocker plus d’énergie sur une surface plus petite, ce qui se traduit par une densité énergétique plus élevée.
2. sécurité améliorée : les électrolytes solides sont généralement ininflammables, ce qui réduit le risque d’incendie de la batterie et d’emballement thermique (thermal runaway)
3. une durée de vie plus longue : les électrolytes solides ont moins tendance à se dégrader au fil du temps, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie.
4. des temps de charge plus rapides : Certains électrolytes solides permettent un mouvement ionique plus rapide, ce qui peut entraîner des temps de charge plus courts pour les batteries.
Analyse de la cathode par calorimétrie différentielle dynamique
Les performances et la sécurité des batteries lithium-ion dépendent en grande partie de la qualité et des propriétés de leurs composants matériels.
Une caractérisation précise de ces composants est donc essentielle pour rendre les batteries plus efficaces, plus durables et plus sûres.
Les instruments de mesure sophistiqués jouent un rôle clé dans ce processus d’optimisation.
La cathode, l’anode, le séparateur et l’électrolyte peuvent être étudiés en détail à l’aide de la large gamme de produits LINSEIS et d’équipements tels que la DSC, le calorimètre ou un couplage avec un spectromètre de masse, afin d’obtenir des informations détaillées sur les processus qui se déroulent pendant la charge et la décharge des matériaux de stockage.
Cette compréhension détaillée permet une optimisation ciblée de ces composants, ce qui permet d’augmenter de manière significative l’efficacité, la durée de vie et la sécurité des batteries.
- Cathode : dans les batteries, la cathode joue un rôle central car elle détermine directement la capacité énergétique et donc la performance de la batterie.
Elle est le pôle positif de la batterie et est l’endroit où les ions sont absorbés pendant le processus de décharge, ce qui entraîne la libération d’énergie.
- Composition du matériau: les cathodes modernes sont composées de différents composés tels que l’oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2), le phosphate de lithium et de fer (LiFe-PO4), l’oxyde de lithium, de nickel, de manganèse et de cobalt (NMC) et d’autres.
- Structure cristalline: la structure cristalline du matériau de la cathode joue un rôle crucial dans la performance de la batterie.
Elle influence la mobilité des ions au sein du matériau et donc la vitesse de charge et de décharge.
- Stabilité électrochimique: la stabilité électrochimique de la cathode est cruciale pour la durée de vie de la batterie.
Les matériaux qui présentent une stabilité électrochimique élevée sont moins enclins à subir des réactions réduisant la capacité pendant le cycle de charge/décharge.
- Chimie de surface: la chimie de surface du matériau de la cathode peut influencer l’interaction avec l’électrolyte et donc affecter les performances et la stabilité de la batterie.
L’optimisation de la chimie de surface peut contribuer à améliorer la densité énergétique et la résistance au cyclage.
- La conductivité thermique de la cathode des batteries est essentielle pour la gestion thermique afin d’éviter la surchauffe et les risques potentiels pour la sécurité.
Une conductivité thermique élevée permet de dissiper efficacement la chaleur générée pendant le fonctionnement, ce qui permet de maintenir une température stable et d’éviter une augmentation incontrôlée de la température, comme un emballement thermique.
Par conséquent, le choix de matériaux et de structures cathodiques présentant une bonne conductivité thermique est crucial pour la performance et la sécurité des systèmes de batterie.
Analyse TGA du phosphate de fer et de lithium (LiFePO4) pour caractériser la cathode
Un exemple marquant de l’utilisation de la TGA est l’étude du phosphate de fer lithié (LiFePO4), un matériau cathodique très répandu dans les batteries lithium-ion.
Le LiFePO4 est connu pour sa grande stabilité thermique et sa sécurité.
Lors de l’analyse TGA, un échantillon de LiFePO4 est chauffé de manière contrôlée afin d’évaluer sa stabilité thermique et sa composition.
Pendant le processus de chauffage, les variations de poids de l’échantillon sont mesurées avec précision afin d’obtenir des informations sur les processus de décomposition thermique.
Ces données sont essentielles pour comprendre les propriétés thermiques du matériau, ce qui est très important pour les applications dans des domaines tels que la mobilité électrique ou le stockage stationnaire de l’énergie.
Les résultats de la TGA fournissent des informations importantes sur la stabilité du matériau de la cathode dans les conditions de fonctionnement.
Par exemple, l’analyse des températures de décomposition du LiFePO4 permet de tirer des conclusions sur la durée de vie et la sécurité de la batterie dans différentes conditions de fonctionnement.
Cela permet une optimisation ciblée de la composition des matériaux et de la conception des cellules afin d’améliorer les performances globales et la sécurité de la batterie.
La caractérisation précise des matériaux cathodiques par analyse thermogravimétrique est donc une étape indispensable pour améliorer les performances et la sécurité des batteries lithium-ion.
De telles analyses contribuent considérablement au développement et à l’optimisation de cette technologie clé.
- Anode: dans les batteries, l’anode joue le rôle de pôle négatif et est en grande partie responsable de la vitesse de charge et de la capacité de la batterie.
Pendant la charge, les ions de la cathode sont stockés dans l’anode, qui joue un rôle clé dans le stockage et la libération de ces ions.
- Choix du matériau: Traditionnellement, le graphite est utilisé comme matériau d’anode en raison de sa capacité à stocker efficacement les ions.
Cependant, des recherches récentes explorent des matériaux alternatifs tels que le silicium, le titanate de lithium et divers nanomatériaux de carbone, qui peuvent offrir une capacité plus élevée et des vitesses de charge plus rapides.
- Structure de surface et porosité: la microstructure et la porosité des matériaux d’anode sont essentielles pour le stockage des ions.
Une structure optimisée permet une mobilité efficace des ions et contribue à une capacité de charge plus élevée.
- Stabilité électrochimique: la stabilité des matériaux d’anode pendant les cycles de charge/décharge est essentielle pour la durée de vie de la batterie.
Les matériaux qui résistent à la dégradation électrochimique améliorent la résistance aux cycles de la batterie.
- Interaction avec l’électrolyte: l’interaction chimique entre le matériau de l’anode et l’électrolyte affecte les performances de la batterie.
Une compatibilité optimale réduit les réactions secondaires indésirables qui peuvent entraîner une réduction de la capacité.
Analyse STA des matériaux d’anodes en graphite
Un exemple concret d’application de la STA est l’étude des matériaux d’anode en graphite.
Le graphite est souvent utilisé dans les batteries lithium-ion et est connu pour sa capacité à stocker efficacement les ions lithium.
Dans le cadre de la STA, le matériau anodique en graphite est soumis simultanément à une analyse thermique différentielle (DTA) et à une thermogravimétrie (TGA).
Cette analyse combinée fournit des informations précieuses sur les réactions thermiques et de changement de masse du matériau pendant le chauffage.
Le composant DTA mesure le flux de chaleur pour identifier les événements endothermiques et exothermiques, tandis que le TGA enregistre la perte de poids du matériau, ce qui permet de tirer des conclusions sur les températures et les processus de décomposition.
Cette analyse complète permet d’obtenir des informations critiques sur la stabilité du matériau de l’anode dans différentes conditions de fonctionnement.
Par exemple, l’identification de la température à laquelle le graphite commence à s’oxyder permet d’optimiser le système de gestion de la batterie afin d’éviter la surchauffe et d’augmenter la durée de vie de la batterie.
En outre, l’étude de la dilatation et de la contraction thermiques du graphite pendant l’intercalation des ions lithium permet d’obtenir des informations sur la stabilité structurelle du matériau et son influence sur la résistance au cyclage.
L’intercalation des ions lithium dans le matériau des anodes en graphite est un processus au cours duquel le lithium s’intercale entre les couches de graphite, ce qui entraîne un changement de volume.
Ce changement de volume peut être déterminé avec précision par dilatométrie, une méthode de mesure du changement de longueur des matériaux en fonction de la température.
Un dilatomètre est l’instrument qui mesure la dilatation et la contraction thermiques du graphite pendant l’intercalation du lithium, fournissant ainsi un aperçu de la stabilité structurelle du matériau de l’anode.
L’utilisation de l’analyse thermique simultanée pour l’étude des matériaux d’anode est également une étape essentielle pour améliorer l’efficacité et la durée de vie des batteries lithium-ion.
Ces analyses approfondies sont essentielles pour développer des matériaux optimisés répondant aux exigences des technologies de batteries modernes.
- Séparateur: dans les batteries, le séparateur remplit une fonction essentielle pour la sécurité, notamment en ce qui concerne le risque de court-circuit et d’emballement thermique.
Il s’agit d’une membrane microporeuse placée entre la cathode et l’anode afin d’éviter un contact direct et donc des courts-circuits électriques entre les électrodes.
En même temps, il permet le flux d’ions entre la cathode et l’anode pendant le cycle de charge et de décharge.
- Perméabilité aux ions: le séparateur doit présenter une perméabilité aux ions élevée pour permettre un transfert d’ions efficace.
Ceci est essentiel pour la performance globale de la batterie.
- Stabilité thermique et mécanique: le séparateur doit être stable thermiquement et mécaniquement dans les conditions de fonctionnement de la batterie.
Une stabilité thermique insuffisante peut entraîner la fusion du séparateur et donc un court-circuit, ce qui représente un risque élevé pour la sécurité.
- Revêtements céramiques: Les séparateurs modernes sont souvent revêtus de particules de céramique afin d’améliorer leur stabilité thermique.
Ces revêtements augmentent l’intégrité de la fusion et la robustesse mécanique du séparateur, en particulier à haute température, ce qui améliore considérablement la sécurité de la batterie.
L’intégrité de la fusion d’un séparateur de batterie peut être mesurée à l’aide d’un analyseur thermomécanique (TMA) pour s’assurer que le séparateur ne subit pas de défaillance mécanique ou de rupture, ce qui pourrait entraîner une rupture thermique de la batterie.
- Les méthodes d’analyse: Une méthode de mesure électromécanique est utilisée pour évaluer les propriétés des séparateurs.
Ces méthodes peuvent fournir des informations sur le changement de taille du séparateur dans différentes conditions de fonctionnement ainsi que sur la température à laquelle le séparateur commence à céder.
- Rôle dans la prévention de l’emballement thermique : un séparateur efficace et sûr est essentiel pour minimiser le risque d’emballement thermique.
Il doit maintenir un effet de barrière suffisant, même lorsque la batterie est exposée à des températures extrêmes.
Mesure TMA de membranes séparatrices revêtues
Un exemple pertinent d’application de l’analyse thermomécanique (TMA) est l’étude des membranes de séparateurs revêtues de particules de céramique.
Ce revêtement peut augmenter significativement la sécurité des batteries en améliorant l’intégrité de la fusion et la robustesse mécanique du séparateur au-dessus de son point de fusion.
L’analyse thermomécanique (TMA) des séparateurs de batterie consiste principalement à mesurer la réaction physique du matériau aux changements de température.
Les principaux paramètres mesurés sont la dilatation ou la contraction (allongement ou rétrécissement) du matériau du séparateur en fonction de la température.
La mesure de la TMA comprend les aspects suivants :
- Mesure des coefficients de dilatation : Le TMA mesure comment la membrane du séparateur change physiquement dans des conditions de température contrôlées.
Cela inclut la dilatation ou la contraction linéaire du matériau en fonction des changements de température, ce qui donne des informations sur les coefficients de dilatation thermique. - Évaluation de l’intégrité mécanique: la mesure de l’allongement ou du rétrécissement du séparateur à différentes températures permet d’évaluer son intégrité mécanique.
Ceci est essentiel pour comprendre comment le séparateur réagit dans les conditions thermiques de fonctionnement de la batterie. - Détermination du point de fusion : outre la dilatation, la TMA peut également être utilisée pour déterminer le point de fusion du matériau du séparateur.
Le point de fusion est une température critique à laquelle le séparateur commence à perdre son intégrité structurelle, ce qui peut entraîner des risques pour la sécurité.
- Électrolyte : dans les batteries, l’électrolyte est un élément clé, indispensable au transport des ions entre la cathode et l’anode.
Dans le cas le plus courant, il est constitué d’une solution de sel de lithium dans un solvant organique et permet le déplacement des ions lithium pendant les processus de charge et de décharge de la batterie.
- Conductivité ionique : la conductivité de l’électrolyte est essentielle pour l’efficacité du transfert d’ions entre les électrodes.
Une conductivité ionique élevée permet une charge et une décharge rapides de la batterie et améliore les performances globales.
- Composition chimique : la composition chimique de l’électrolyte, en particulier le type de sel de lithium et de solvant, influence les propriétés électrochimiques de la batterie.
Le choix des composants a une influence directe sur des facteurs tels que la tension de fonctionnement, la stabilité thermique et la sécurité de la batterie.
- Stabilité électrochimique : l’électrolyte doit être électrochimiquement stable afin d’éviter toute décomposition aux tensions de fonctionnement de la batterie.
Une composition instable de l’électrolyte peut entraîner des réactions secondaires indésirables qui affectent les performances et la durée de vie de la batterie.
- Interaction avec les matériaux d’électrode : l’interaction de l’électrolyte avec les matériaux d’électrode est cruciale pour la stabilité à long terme de la batterie.
Une interaction optimale minimise la formation de couches superficielles nocives sur les électrodes, connues sous le nom de « Solid-Electrolyte Interphase » (SEI).
- Stabilité thermique : la stabilité thermique d’un électrolyte de batterie est un facteur critique qui influence considérablement la sécurité de fonctionnement et les performances des batteries.
Une stabilité thermique élevée de l’électrolyte garantit le maintien de l’intégrité chimique de l’électrolyte et donc de la conductivité ionique, même en cas d’augmentation de la température de fonctionnement ou de contraintes thermiques externes.
La mesure de la stabilité thermique, généralement effectuée à l’aide d’un calorimètre différentiel dynamique (DSC) ou d’une analyse thermogravimétrique (TGA), permet d’identifier les limites de température dans lesquelles l’électrolyte est stable et ne libère pas de produits de décomposition dangereux.
Ceci est essentiel pour minimiser les risques de sécurité tels que l’emballement thermique et pour garantir un environnement de fonctionnement sûr pour la batterie.
Mesure TGA-MS des électrolytes
Un exemple concret d’application de la TGA est l’étude de la stabilité thermique et de la composition des électrolytes dans les batteries lithium-ion.
Cette mesure consiste à soumettre l’électrolyte à une augmentation contrôlée de la température afin d’analyser sa décomposition thermique et les pertes de poids qui en résultent.
Ces données sont particulièrement instructives pour comprendre la stabilité de l’électrolyte dans différentes conditions de fonctionnement.
Par exemple, la température de décomposition de l’électrolyte peut indiquer à quelles températures la batterie peut être utilisée en toute sécurité sans risque de dégradation thermique de l’électrolyte.
La dégradation thermique de l’électrolyte est un processus par lequel l’électrolyte se décompose sous l’influence de températures élevées.
Cela peut être critique pour plusieurs raisons :
1. température de décomposition : la détermination de la température de décomposition de l’électrolyte permet de savoir à quelles températures la batterie peut être utilisée en toute sécurité.
La température de décomposition est le seuil à partir duquel l’électrolyte commence à se modifier chimiquement et à se dégrader.
2. risque de dégradation thermique : si la température de décomposition est dépassée, l’électrolyte peut devenir instable et subir des réactions chimiques qui affectent les performances et la sécurité de la batterie.
Cela peut également entraîner la formation de gaz et une augmentation potentielle de la pression à l’intérieur de la cellule de la batterie.
3. effets sur les performances de la batterie : la dégradation thermique de l’électrolyte peut entraîner une diminution de la conductivité ionique et donc une réduction de l’efficacité de la batterie.
De plus, la dégradation de l’électrolyte peut entraîner la formation de produits nocifs qui affectent les surfaces des électrodes.
4. les aspects de sécurité : La stabilité thermique de l’électrolyte est essentielle pour la sécurité globale de la batterie.
Une dégradation thermique peut augmenter le risque d’emballement thermique, en particulier s’il y a une réaction avec d’autres composants de la batterie.
En outre, la TGA-MS peut être utilisée pour déterminer la composition de l’électrolyte, y compris la teneur en solvants et autres additifs.
Ces informations sont essentielles pour optimiser les propriétés de transport d’ions de l’électrolyte, ce qui peut à son tour avoir une influence positive sur l’efficacité et la durée de vie de la batterie.
La caractérisation précise de l’électrolyte par analyse thermogravimétrique fournit des informations essentielles pour le développement de batteries plus performantes et plus sûres.
Les données obtenues à partir de ces analyses permettent une optimisation ciblée des composants de la batterie, ce qui se traduit par une amélioration des performances globales de la batterie.
Chacun de ces composants contribue de manière significative à la performance globale et à la sécurité d’une batterie lithium-ion.
La caractérisation précise effectuée par les instruments de mesure de Linseis permet d’optimiser ces composants de manière ciblée, ce qui permet d’améliorer de manière significative l’efficacité, la durée de vie et la sécurité des batteries.
Prévention de l’emballement thermique – la sécurité avant tout
Thermal Runaway, une augmentation incontrôlée de la température dans les batteries, peut entraîner de graves problèmes de sécurité.
Les instruments d’analyse utilisés pour étudier la stabilité thermique et mécanique des matériaux de batterie sont essentiels pour minimiser les risques d’un tel événement.
Ils fournissent un aperçu précis de la stabilité thermique des matériaux de batterie et aident à identifier les sources de danger potentielles.
L’emballement thermique se produit lorsque la température à l’intérieur d’une cellule de batterie atteint un point où la chaleur générée est supérieure à la chaleur dégagée.
Cela peut entraîner une réaction en chaîne qui détruit la batterie ou même déclenche des incendies.
Il est important de comprendre les causes de l’emballement thermique et de prendre les mesures appropriées pour minimiser le risque.
- Détection précoce avec DSC et TGA : la détection précoce des conditions susceptibles d’entraîner un emballement thermique est essentielle.
Des instruments tels que le Calorimètre différentiel dynamique (DSC) et l’analyse thermogravimétrique (TGA) fournissent des données importantes sur le comportement thermique des matériaux de batterie.
Ils permettent d’identifier les plages de température critiques auxquelles les matériaux deviennent instables.
- Analyse des causes profondes : L’analyse des causes d’un emballement thermique comprend l’étude de la composition des matériaux, de la stabilité de l’électrolyte et des réactions internes des cellules.
Ces analyses fournissent des informations précieuses pour identifier les facteurs de risque potentiels et développer des contre-mesures appropriées.
- Évaluation de la sécurité : en mesurant le dégagement de chaleur et la gestion de la chaleur, les instruments peuvent évaluer les normes de sécurité des batteries.
Ceci est particulièrement important lors du développement de batteries pour des applications à haute performance telles que les véhicules électriques ou les systèmes de stockage d’énergie.
- Optimisation des matériaux : les résultats de l’analyse aident à sélectionner et à développer des matériaux moins sensibles à l’emballement thermique.
Cela contribue à améliorer la sécurité globale, à optimiser la dissipation de la chaleur de la cellule de la batterie et la fiabilité des batteries.
- Optimisation des électrolytes : l’optimisation de la composition de l’électrolyte est un autre aspect important, soutenu par des instruments précis.
Une meilleure formulation de l’électrolyte, basée sur des données analytiques, peut contribuer à augmenter la stabilité thermique au sein de la cellule, ce qui améliore la sécurité de la batterie.
- Optimisation de la conception des cellules : l’optimisation de la conception des cellules pour prévenir l’emballement thermique nécessite une gestion thermique intégrée basée sur une sélection minutieuse des matériaux qui régulent efficacement la dissipation et l’absorption de la chaleur.
Des matériaux d’anode et de cathode scientifiquement sélectionnés et présentant une conductivité thermique élevée, ainsi que des séparateurs et des électrolytes thermiquement stables, sont essentiels pour éviter une génération de chaleur excessive.
De plus, des mécanismes de refroidissement et des matériaux d’isolation avancés contribuent à la distribution et à l’isolation de la chaleur, ce qui évite les surchauffes locales et homogénéise la température de la cellule.
Une conception de cellule réfléchie qui tient compte de ces composants contribue de manière significative à améliorer la sécurité de la batterie et à minimiser le risque d’emballement thermique.
- Mesures préventives grâce à la caractérisation des matériaux : la mise en œuvre de mesures préventives basées sur les résultats d’analyse est une étape cruciale pour minimiser le risque d’emballement thermique.
Ces mesures comprennent l’optimisation de la conception des cellules, l’amélioration du système de gestion des batteries et le développement de mécanismes de sécurité.
Gestion thermique – Réduction des risques et gestion thermique optimisée pour une durée de vie et une efficacité accrues.
La régulation efficace de la température de fonctionnement est un facteur déterminant pour la performance et la longévité des batteries.
Elle contribue à minimiser la dégradation des composants de la batterie et à prolonger sa durée de vie totale.
Les batteries lithium-ion sont devenues la norme pour l’électronique portable, les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie, principalement en raison de leur densité énergétique élevée et de leur résistance aux cycles de charge.
La température de fonctionnement est cruciale pour l’efficacité et la longévité de ces batteries, la température optimale se situant entre 15°C et 35°C environ.
Les températures supérieures à cette plage accélèrent la dégradation chimique, augmentent le risque d’emballement thermique et peuvent entraîner une perte de capacité permanente.
En revanche, des températures trop basses affectent la diffusion des ions et augmentent la résistance interne, ce qui réduit les performances de la batterie et augmente le risque de plaquage au lithium pendant la charge.
Le maintien d’une température de fonctionnement appropriée est donc essentiel pour garantir une performance, une sécurité et une durée de vie maximales de la batterie.
Différentes méthodes de gestion thermique, telles que le refroidissement actif ou le refroidissement liquide indirect, sont essentielles pour maintenir la température de fonctionnement dans la plage optimale et garantir ainsi les performances et la sécurité des batteries lithium-ion.
Complexité de la gestion thermique dans les technologies de batterie
- La gestion thermique dans les systèmes de batterie modernes joue un rôle crucial dans la performance, la sécurité et la durée de vie.
Elle implique une régulation précise des conditions de température internes afin de garantir un fonctionnement optimal.
- Une augmentation incontrôlée de la température peut entraîner des dommages irréversibles dus à une dégradation chimique, tandis qu’une température trop basse peut affecter la conductivité ionique et donc les performances de la batterie.
- Une gestion thermique équilibrée garantit non seulement l’efficacité, mais aussi la longévité et la sécurité des batteries, en particulier dans les applications à haute performance comme les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie.
Outils analytiques pour les propriétés de transport de chaleur
- Des instruments analytiques avancés sont utilisés pour étudier les propriétés thermiques des matériaux de batterie.
L’analyseur laser flash (LFA), le Transient Hot Bridge (THB) et le Periodic Laser Heating (PLH).
- Le LFA permet de mesurer la conductivité et la diffusivité thermiques, qui sont essentielles pour le transfert de chaleur au sein des composants de la batterie.
- Le Transient Hot Bridge (THB) élargit le spectre de l’analyse thermique en mesurant la conductivité thermique et la résistance thermique des matériaux de batterie dans des conditions de fonctionnement réelles.
- Le chauffage périodique au laser (PLH) est une méthode innovante de caractérisation rapide et précise de la conductivité thermique et de la capacité thermique spécifique.
Elle est indispensable pour une analyse thermique précise et pour le développement de matériaux de batterie aux propriétés thermiques supérieures.
Importance du testeur TIM pour un transfert de chaleur efficace
- Le site Testeur de matériaux d’interface thermique (TIM) est spécialisé dans l’évaluation des matériaux utilisés à l’interface entre les cellules de la batterie et les composants de refroidissement.
Il peut également mesurer l’impédance thermique, ce qui permet d’optimiser la gestion thermique des séries de cellules. - Il mesure avec précision la conductivité thermique et la résistance thermique de ces matériaux afin d’assurer un transfert de chaleur optimal des batteries vers le boîtier ou le dissipateur thermique.
- Des matériaux d’interface efficaces, identifiés et optimisés par le testeur TIM, sont essentiels pour éviter la surchauffe des cellules et contribuent de manière significative à l’amélioration des performances globales de la batterie.
Visualisation et interprétation des données thermiques
- La visualisation des données obtenues par ces analyses permet une interprétation approfondie des propriétés thermiques des matériaux des batteries.
- Les graphiques représentant la conductivité thermique ou la capacité thermique spécifique sur différentes plages de température offrent un aperçu complet de la gestion thermique des batteries.
Une gestion thermique efficace, soutenue par des mesures et des analyses précises des instruments de Linseis, est essentielle pour maximiser la performance, la sécurité et la durée de vie des batteries modernes.
En innovant constamment dans ce domaine, nous contribuons à améliorer encore la fiabilité et l’efficacité de la technologie des batteries.
La figure montre une mesure dans laquelle les tests de batterie LFA ont été effectués sur un matériau cathodique à ions Na.
La conductivité thermique et la conductivité thermique atteignent un maximum à environ 90 °C et diminuent ensuite assez fortement.
La stabilité thermique – un facteur clé pour des batteries fiables
La stabilité thermique des matériaux de batterie est un facteur crucial pour la sécurité et la fiabilité des batteries lithium-ion.
Les instruments de mesure de pointe de Linseis jouent un rôle central dans l’évaluation et l’amélioration de cette propriété essentielle.
La capacité d’évaluer avec précision la stabilité thermique des matériaux de batterie est essentielle pour garantir que les batteries modernes répondent aux exigences élevées de sécurité et de performance.
Les instruments de mesure de Linseis offrent la précision et la fiabilité nécessaires à l’évaluation complète de cette propriété essentielle.
La figure ci-dessous montre une courbe de mesure DSC d’un électrolyte solide céramique utilisé dans les batteries à l’état solide et permettant d’obtenir des batteries haute énergie plus sûres.
Un traitement thermique à haute température est nécessaire pour lier l’électrolyte, les électrodes et d’autres composants tels que les collecteurs de courant.
Device Characterisation – Précision dans la recherche sur les batteries avec le calorimètre à batterie
Un calorimètre de batterie est un appareil qui mesure la chaleur générée par une batterie pendant la charge et la décharge.
Cette mesure est appelée « chaleur de réaction » et constitue un indicateur important de la performance d’une batterie.
La chaleur de réaction est la différence entre l’enthalpie (contenu thermique) des réactifs et des produits d’une réaction chimique.
Les calorimètres pour batteries sont utilisés dans la recherche et le développement pour évaluer les nouvelles chimies de batteries et optimiser la conception des batteries existantes.
Ils sont également utilisés dans le processus de fabrication pour s’assurer que les batteries répondent aux normes de performance et de sécurité.
Pour la surveillance thermique des batteries, Linseis propose un calorimètre modulaire (IBC) est disponible.
Il est constitué d’un nombre variable de composants quasiment identiques et permet d’étudier des cellules de batterie de tailles très différentes.
De plus, la géométrie des modules est facilement modulable.
Importance du calorimètre de batterie : Le calorimètre de batterie mesure la quantité de chaleur générée par les réactions électrochimiques au sein de la batterie.
Ces mesures sont essentielles pour comprendre et améliorer le comportement thermique et l’efficacité des batteries.
Domaines d’application : Ces appareils sont particulièrement importants pour le développement de nouveaux types de batteries, comme les batteries lithium-ion, pour lesquelles la stabilité thermique et la sécurité sont d’une importance capitale.
Ils sont également utilisés pour le contrôle qualité et la vérification des performances des batteries.
Analyse thermique et sécurité : en analysant la chaleur générée dans différentes conditions de fonctionnement, les calorimètres de batterie aident à identifier et à prévenir les risques de sécurité potentiels tels que l’emballement thermique.
Ceci est essentiel pour la sécurité des produits destinés à l’utilisateur final.
Optimisation des performances de la batterie : la mesure précise de la chaleur générée permet d’optimiser la chimie interne et la construction de la batterie, ce qui se traduit par une densité énergétique accrue, une capacité de charge améliorée et une durée de vie prolongée.
Recherche et développement : Les laboratoires de recherche et de développement utilisent des calorimètres pour batteries afin de tester et d’évaluer les nouveaux matériaux et technologies.
Les connaissances ainsi acquises sont essentielles pour faire progresser la technologie des batteries.
Développé en collaboration avec le Physikalisch-Technische Bundesanstalt :
