AGX-V, Speciální aplikace

Hodnocení pevnostních vlastností separátoru lithium-iontové baterie v závislosti na teplotě pomocí zkoušek propíchnutím a tahem

Úvod

Lithium-iontové sekundární články, nazývané také dobíjecí baterie, (zde označované jako "lithium-iontové baterie") se díky své vysoké hustotě energie a napětí článků široce používají jako zdroje energie pro informační terminály a spotřební elektroniku atd. V poslední době je zcela zřejmá rostoucí míra jejich rozšíření do oblastí běžného použití v domácnostech, včetně hybridních a elektrických vozidel, a zdá se být zřejmé, že poptávka po nich v budoucnu dále poroste. Vzhledem k tomu, že lithium-iontové baterie mohou být někdy nestabilní v důsledku zkratu, nadměrného nabíjení a vybíjení, nárazu atd., jsou na úrovni bateriových komponent zabudovány různé ochranné mechanismy, které mají zajistit bezpečnost. Z těchto součástí lithium-iontové baterie separátor zabraňuje kontaktu mezi kladnou a zápornou elektrodou a zároveň plní úlohu distančního prvku, který umožňuje průchod iontů lithia. Plní však také funkci zabraňuje zvýšení teploty baterie v důsledku nadměrného proudu v případě zkratu. Protože je separátor lithium-iontové baterie usazen tak, že přichází do styku s drsnými povrchy kladných a záporných pólů, je vyžadována vysoká mechanická pevnost. Tato mechanická pevnost musí být zachována i v případě, že dojde k určitému zvýšení teploty, což je do určité míry běžné například při nabíjení baterie. Proto jsme provedli měření průraznosti a tahové zkoušky separátoru, abychom vyhodnotili změny pevnosti s ohledem na změny teploty. Tento dokument uvádí aktuální příklady těchto zkoušek.

Doplněk)
Pokud jde o separátor lithium-iontových baterií, byly předchozí příklady hodnocení představeny také v aplikačních novinkách T146 "Measurement of Separator in Lithium-Ion Battery" a i229 "Multi- Faceted Approach for Evaluating Lithium-Ion Battery Separators".

Test propíchnutí

Vzorky se skládaly z oddělovačů vyjmutých ze dvou lithium-iontových baterií (válcového tvaru) používaných v malých elektrických zařízeních a měřili jsme změny propichovacích charakteristik v důsledku změn teploty prostředí. Na obr. 1 je uveden přehled zkušebních podmínek a v tab. 1 jsou uvedeny podrobnosti o zkušebních podmínkách.

 

Tabulka 1 Zkušební podmínky (zkouška průrazem)
Tabulka 1 Zkušební podmínky (zkouška průrazem)
Na obr. 2 je znázorněna křivka síla - posun a v tab. 2 je uvedena maximální síla a maximální posun v závislosti na teplotě. Při porovnání výsledků zkoušek při 25 °C a 60 °C je zřejmé, že v maximální síle není velký rozdíl, ale maximální posun je větší při 60 °C. Při porovnání charakteristických hodnot při 60 °C a 90 °C je zřejmý pokles maximální síly při 90 °C, ale hodnota maximálního posunutí je přibližně stejná. Z výše uvedeného lze předpokládat, že při 60 °C nedochází k poklesu pevnosti separátoru lithium-iontové baterie, a to i přes zjevné zvýšení jeho roztažnosti.
Obr. 2 Výsledek zkoušky (zkouška propíchnutím)
Obr. 2 Výsledek zkoušky (zkouška propíchnutím)
Tabulka 2 Shrnutí výsledků (zkouška propíchnutím)
Tabulka 2 Shrnutí výsledků (zkouška propíchnutím)

Zkouška tahem

Separátory použité pro tahové zkoušky byly odebrány z komerčně dostupných lithium-iontových baterií (čtvercového tvaru), takže byly použity 2 typy vzorků (dále označované jako vzorky (1) a (2)), které obsahovaly jako hlavní složku PE (polyethylen). Při provádění tahových zkoušek byl každý vzorek separátoru (jak je znázorněno na obr. 3(a)) vytvarován do vzorků ve tvaru činek orientovaných ve směru podélné a šířkové osy každého separátoru, jak je znázorněno na obr. 3(b). Celková délka všech vzorků byla 35 mm, přičemž rovnoběžný řez měl rozměry 10 (D) × 2 (Š) mm.

Obr. 3 Zkušební vzorky
Obr. 3 Zkušební vzorky
Tabulka 3 Zkušební podmínky (zkouška tahem)
Tabulka 3 Zkušební podmínky (zkouška tahem)

V tabulce 3 jsou uvedeny podmínky tahové zkoušky, které byly použity.
Na obr. 4 a 5 jsou znázorněny křivky napětí a deformace pro vzorek (1) v podélném a šířkovém směru.
Na obr. 6 a 7 jsou znázorněny křivky napětí a deformace pro vzorek (2) v podélném a šířkovém směru.
V tabulce 4 jsou uvedeny zkušební hodnoty mechanických vlastností získané při jednotlivých teplotách.

Obr. 4 Výsledky zkoušek (vzorek (1), směr na šířku)
Obr. 4 Výsledky zkoušek (vzorek (1), směr na šířku)
Obr. 5 Výsledky zkoušky (vzorek (1), podélný směr)
Obr. 5 Výsledky zkoušky (vzorek (1), podélný směr)
Obr. 6 Výsledky zkoušky (vzorek (2), směr na šířku)
Obr. 6 Výsledky zkoušky (vzorek (2), směr na šířku)
Obr. 7 Výsledky zkoušky (vzorek (2), podélný směr)
Obr. 7 Výsledky zkoušky (vzorek (2), podélný směr)
Tabulka 4 Shrnutí výsledků tahové zkoušky
Tabulka 4 Shrnutí výsledků tahové zkoušky
U všech vzorků byla zjištěna nižší pevnost v tahu a větší prodloužení ve směru na šířku než ve směru na délku. Při porovnání čísel v tabulce 4 je podélná pevnost v tahu u vzorku (1) přibližně 5krát větší než šířková pevnost v tahu vzorku (1). Také deformace při přetržení je u vzorku (1) v podélném směru přibližně 15krát nižší než u vzorku (1) v šířkovém směru. Z výše uvedených výsledků vyplývá, že tento separátor (vzorek ( 1 ) ) byl vyroben pomocí jednoosého tažení v podélném směru. Pevnost v tahu v šířkovém směru je u vzorku (2) přibližně dvakrát vyšší než u vzorku (1) a deformace při přetržení je mnohem nižší. Podobná tendence jako u vzorku (2) v šířkovém směru je patrná i u vzorku (2) v podélném směru. Proto se vzhledem k tendenci větší pevnosti v tahu a nižší deformaci při přetržení u vzorku (2) v podélném směru předpokládá, že vzorek (2) byl vyroben s nízkým dvouosým tažným poměrem a že tažný poměr v podélném směru byl větší než v šířkovém směru. Získané údaje o mechanických vlastnostech v závislosti na teplotě vzorku jsou také zajímavé. Při porovnání deformace při přetržení a pevnosti v tahu vzorku při 25 °C a 60 °C se sice hodnota deformace při přetržení zvýšila 2krát v důsledku zvýšení zkušební teploty na 60 °C, ale došlo jen k mírnému poklesu pevnosti v tahu. Podobně při porovnání naměřených hodnot fyzikálních vlastností při 60 °C a 90 °C vykazovala deformace při přetržení stejnou tendenci k výraznému nárůstu jako při porovnání hodnot při 25 °C a 60 °C. V tomto případě však hodnota pevnosti v tahu vykazuje výrazný pokles. Z výše uvedeného je zřejmé, že separátory lithium-iontových baterií použité v této zkoušce si zachovávají vynikající mechanickou pevnost při 60 °C, a to bez ohledu na jejich zvýšené charakteristiky prodloužení. Specifikace vysoké mechanické pevnosti jsou u separátorů vyžadovány, aby odolávaly měnící se teplotě v článku. Jak vyplývá z výsledků zkoušek propíchnutím a tahem separátorů lithium-iontových baterií při řízení atmosférické teploty, mechanické vlastnosti separátorů lithium-iontových baterií lze spolehlivě vyhodnotit pomocí přesného univerzálního testeru Shimadzu AG-X s bohatým příslušenstvím.

Sdílet tento článek

Stroje pro speciální aplikace

Další aplikace

Pravá ikona nabídky