AGX-V, Специални приложения

Оценка на температурно-зависимите якостни свойства на сепаратора на литиево-йонна батерия чрез изпитване на пробиване и опън

Въведение

Литиево-йонните вторични клетки, наричани още акумулаторни батерии (наричани тук "литиево-йонни батерии"), се използват широко като източници на енергия за информационни терминали, потребителска електроника и др. поради високата си енергийна плътност и напрежение на клетките. Напоследък нарастващият темп на разпространението им в областите на общи битови приложения, включително хибридните и електрическите превозни средства, е съвсем очевиден и изглежда очевидно, че търсенето ще продължи да нараства в бъдеще. Тъй като литиево-йонните батерии понякога могат да станат нестабилни поради късо съединение, прекомерно зареждане и разреждане, удар и т.н., на ниво компонент на батерията са включени различни механизми за защита, за да се гарантира безопасността. От тези съставни части сепараторът на литиево-йонната батерия предотвратява контакта между положителния и отрицателния електрод, като същевременно играе ролята на дистанционер, който позволява преминаването на литиеви йони. Той обаче изпълнява и функцията на предотвратява повишаването на температурата на батерията поради прекомерен ток в случай на късо съединение. Тъй като сепараторът на литиево-йонната батерия се поставя така, че влиза в контакт с грапавите повърхности на положителните и отрицателните клеми, е необходима висока механична якост. Тази механична якост трябва да се запази дори при известно повишаване на температурата, което е обичайно в известна степен, например по време на зареждане на батерията. Поради това проведохме измервания с пробиване и изпитване на опън на сепаратора, за да оценим промените в здравината по отношение на промените в температурата. Този документ представя действителни примери от тези изпитвания.

Допълнение)
Що се отнася до сепаратора на литиево-йонни батерии, предишни примери за оценка бяха представени и в Application News T146 "Measurement of Separator in Lithium-Ion Battery" и i229 "Multi- Faceted Approach for Evaluating Lithium-Ion Battery Separators".

Тест за пробиване

Образците се състояха от сепаратори, извадени от две литиево-йонни батерии (цилиндрични), използвани в малки електрически устройства, и измерихме промените в характеристиките на пробиване, дължащи се на промени в температурата на околната среда. На фиг. 1 е показан преглед на условията на изпитване, а в таблица 1 са представени подробности за условията на изпитване.

 

Таблица 1 Условия за изпитване (изпитване на пробиване)
Таблица 1 Условия за изпитване (изпитване на пробиване)
На фиг. 2 е показана кривата "сила - преместване", а в таблица 2 са посочени максималната сила и максималното преместване в зависимост от температурата. Сравнявайки резултатите от изпитването при 25 °C и 60 °C, се вижда, че няма голяма разлика в максималната сила, но максималното преместване е по-голямо при 60 °C. Сравнявайки характерните стойности при 60 °C и 90 °C, намаляването на максималната сила е очевидно при 90 °C, но стойността на максималното преместване е приблизително същата. От гореизложеното може да се предположи, че при 60 °C не се наблюдава намаляване на якостта на сепаратора на литиево-йонната батерия, въпреки очевидното увеличаване на неговото свойство на удължаване.
Фиг. 2 Резултат от изпитването (изпитване на пробиване)
Фиг. 2 Резултат от изпитването (изпитване на пробиване)
Таблица 2 Обобщение на резултатите (изпитване за пробиване)
Таблица 2 Обобщение на резултатите (изпитване за пробиване)

Изпитване на опън

Сепараторите, използвани за изпитването на опън, бяха извадени от налични в търговската мрежа литиево-йонни батерии (с квадратна форма), така че бяха използвани 2 вида образци (по-долу, наричани образци (1) и (2)), които съдържат PE (полиетилен) като основна съставка. При провеждане на изпитванията на опън всеки образец на сепаратор (както е показано на фиг. 3(а)) се оформя на образци с форма на дъмбел, ориентирани по дължината и ширината на всеки сепаратор, както е показано на фиг. 3(б). Общата дължина на всички образци е 35 mm, като успоредното сечение е с размери 10 (L) × 2 (W) mm

Фиг. 3 Тестови образци
Фиг. 3 Тестови образци
Таблица 3 Условия на изпитване (изпитване на опън)
Таблица 3 Условия на изпитване (изпитване на опън)

В таблица 3 са показани използваните условия за изпитване на опън.
На фиг. 4 и фиг. 5 са показани кривите напрежение - деформация съответно в широчина и дължина на образец (1).
На фиг. 6 и фиг. 7 са показани кривите напрежение - деформация съответно в широчина и дължина на образец (2).
В таблица 4 са показани изпитваните стойности на механичните свойства, получени при всяка температура.

Фиг. 4 Резултати от изпитването (Образец (1), посока по широчина)
Фиг. 4 Резултати от изпитването (Образец (1), посока по широчина)
Фиг. 5 Резултати от изпитването (образец (1), в надлъжна посока)
Фиг. 5 Резултати от изпитването (образец (1), в надлъжна посока)
Фиг. 6 Резултати от изпитването (Образец (2), посока по широчина)
Фиг. 6 Резултати от изпитването (Образец (2), посока по широчина)
Фиг. 7 Резултати от изпитването (образец (2), в надлъжна посока)
Фиг. 7 Резултати от изпитването (образец (2), в надлъжна посока)
Таблица 4 Обобщение на резултатите от изпитването на опън
Таблица 4 Обобщение на резултатите от изпитването на опън
При всеки от образците се наблюдава по-ниска якост на опън и по-голямо удължение в посока по широчина, отколкото в посока по дължина. При сравняване на числата в таблица 4, якостта на опън по дължина за образец (1) е около 5 пъти по-голяма от якостта на опън по ширина на образец (1). Също така деформацията при скъсване за образец (1) в надлъжна посока е по-ниска около 15 пъти от тази на образец (1) в широчина. От горепосочените резултати се предполага, че този сепаратор (образец (1)) е произведен чрез едноосно изтегляне в надлъжна посока. Якостта на опън по широчина за образец (2) е около два пъти по-голяма от тази на образец (1), а деформацията при скъсване е много по-малка. Тенденция, подобна на тази на образец (2) в широчина, се наблюдава по отношение на образец (2) в надлъжна посока. Следователно, поради тенденцията за по-голяма якост на опън и по-ниска деформация при скъсване при образец (2) в надлъжна посока, се предполага, че образец (2) е произведен с нисък коефициент на двуосно изтегляне и че коефициентът на изтегляне в надлъжна посока е по-голям от този в широчина. Данните, получени по отношение на механичните свойства в зависимост от температурата на образеца, също са интересни. При сравняване на деформацията на образеца при скъсване и якостта на опън при 25 °C и 60 °C, въпреки че стойността на деформацията при скъсване се е увеличила 2 пъти поради повишаването на температурата на изпитване до 60 °C, се наблюдава съвсем леко намаляване на якостта на опън. По подобен начин, при сравняване на стойностите на измерванията на физичните свойства при 60 °C и 90 °C, деформацията при скъсване показва същата тенденция на значително увеличение, както при сравняване на стойностите при 25 °C и 60 °C. В този случай обаче стойността на якостта на опън показва значително намаление. От гореизложеното е видно, че сепараторите за литиево-йонни батерии, използвани в това изпитване, поддържат отлична механична якост при 60 °C, независимо от повишените си характеристики на удължаване. За сепараторите се изискват спецификации за висока механична якост, за да издържат на променящата се температура в клетката. Тук, както става ясно от резултатите от изпитването на пробиване и опън на сепаратори за литиево-йонни батерии при контрол на атмосферната температура, механичните свойства на сепараторите за литиево-йонни батерии могат да бъдат надеждно оценени с помощта на прецизния универсален тестер AG-X на Shimadzu с богатия му набор от принадлежности.

Споделете тази статия

Машини за специални приложения

Допълнителни приложения

Икона на дясното меню