AGX-V, Špeciálne aplikácie

Hodnotenie pevnostných vlastností separátora lítium-iónových batérií v závislosti od teploty pomocou skúšky pretláčaním a ťahom

Úvod

Lítium-iónové sekundárne články, nazývané aj nabíjateľné batérie (ďalej len "lítium-iónové batérie"), sa vďaka svojej vysokej hustote energie a napätiu článkov široko používajú ako zdroje energie pre informačné terminály a spotrebnú elektroniku atď. V poslednom čase je celkom zrejmá rastúca miera ich rozšírenia do oblastí všeobecného použitia v domácnostiach vrátane hybridných a elektrických vozidiel a zdá sa zrejmé, že dopyt po nich sa v budúcnosti ešte zvýši. Keďže lítium-iónové batérie sa niekedy môžu stať nestabilnými v dôsledku skratu, nadmerného nabíjania a vybíjania, nárazu atď. Z týchto komponentov separátor lítium-iónovej batérie zabraňuje kontaktu medzi kladnou a zápornou elektródou a zároveň plní úlohu dištančného prvku, ktorý umožňuje priechod iónov lítia. Plní však aj funkciu zabraňuje zvýšeniu teploty batérie v dôsledku nadmerného prúdu v prípade skratu. Keďže separátor lítium-iónovej batérie je osadený tak, že prichádza do kontaktu s drsnými povrchmi kladných a záporných pólov, vyžaduje sa vysoká mechanická pevnosť. Táto mechanická pevnosť sa musí zachovať aj v prípade určitého zvýšenia teploty, ktoré je do určitej miery bežné, napríklad počas nabíjania batérie. Preto sme vykonali merania prebíjania a ťahových skúšok separátora s cieľom vyhodnotiť zmeny pevnosti vzhľadom na zmeny teploty. V tomto dokumente sú uvedené skutočné príklady týchto skúšok.

Doplnok)
Pokiaľ ide o separátor lítium-iónovej batérie, predchádzajúce príklady hodnotenia boli predstavené aj v aplikačných novinkách T146 "Meranie separátora v lítium-iónovej batérii" a i229 "Viacstranný prístup k hodnoteniu separátorov lítium-iónových batérií".

Test prepichnutia

Vzorky pozostávali z oddeľovačov vybratých z dvoch lítium-iónových batérií (valcového tvaru) používaných v malých elektrických zariadeniach a merali sme zmeny v charakteristikách prepichovania v dôsledku zmien teploty prostredia. Na obr. 1 je znázornený prehľad skúšobných podmienok a v tabuľke 1 sú uvedené podrobnosti o skúšobných podmienkach.

 

Tabuľka 1 Skúšobné podmienky (skúška prierazom)
Tabuľka 1 Skúšobné podmienky (skúška prierazom)
Na obr. 2 je znázornená krivka sila - posun a v tab. 2 je uvedená maximálna sila a maximálny posun v závislosti od teploty. Z porovnania výsledkov skúšok pri 25 °C a 60 °C je zrejmé, že v maximálnej sile nie je veľký rozdiel, ale maximálny posun je väčší pri 60 °C. Pri porovnaní charakteristických hodnôt pri 60 °C a 90 °C je zrejmý pokles maximálnej sily pri 90 °C, ale hodnota maximálneho posunu je približne rovnaká. Z uvedeného možno predpokladať, že pri 60 °C nedochádza k zníženiu pevnosti separátora lítium-iónovej batérie napriek zjavnému zvýšeniu jeho rozťažnej vlastnosti.
Obr. 2 Výsledok skúšky (skúška prepichnutím)
Obr. 2 Výsledok skúšky (skúška prepichnutím)
Tabuľka 2 Zhrnutie výsledkov (skúška prierazom)
Tabuľka 2 Zhrnutie výsledkov (skúška prierazom)

Skúška ťahom

Separátory použité na ťahové skúšky boli odobraté z komerčne dostupných lítium-iónových batérií (štvorcového tvaru), takže boli použité 2 typy vzoriek (ďalej označované ako vzorky (1) a (2)), ktoré obsahovali PE (polyetylén) ako základnú zložku. Pri vykonávaní ťahových skúšok sa každá vzorka separátora (ako je znázornené na obr. 3(a)) upravila do podoby vzoriek v tvare činky orientovaných v pozdĺžnom a šírkovom smere každého separátora, ako je znázornené na obr. 3(b). Celková dĺžka všetkých vzoriek bola 35 mm, pričom rovnobežný rez mal rozmery 10 (D) × 2 (Š) mm

Obr. 3 Skúšobné vzorky
Obr. 3 Skúšobné vzorky
Tabuľka 3 Skúšobné podmienky (skúška ťahom)
Tabuľka 3 Skúšobné podmienky (skúška ťahom)

V tabuľke 3 sú uvedené podmienky skúšky ťahom, ktoré boli použité.
Na obr. 4 a 5 sú znázornené krivky napätie - deformácia pre šírkový a pozdĺžny smer vzorky (1).
Na obr. 6 a obr. 7 sú znázornené krivky napätie - deformácia pre šírkový a pozdĺžny smer vzorky (2).
V tabuľke 4 sú uvedené skúšobné hodnoty mechanických vlastností získané pri jednotlivých teplotách.

Obr. 4 Výsledky skúšky (vzorka (1), smer na šírku)
Obr. 4 Výsledky skúšky (vzorka (1), smer na šírku)
Obr. 5 Výsledky skúšky (vzorka (1), pozdĺžny smer)
Obr. 5 Výsledky skúšky (vzorka (1), pozdĺžny smer)
Obr. 6 Výsledky skúšky (vzorka (2), smer na šírku)
Obr. 6 Výsledky skúšky (vzorka (2), smer na šírku)
Obr. 7 Výsledky skúšky (vzorka (2), pozdĺžny smer)
Obr. 7 Výsledky skúšky (vzorka (2), pozdĺžny smer)
Tabuľka 4 Zhrnutie výsledkov skúšky ťahom
Tabuľka 4 Zhrnutie výsledkov skúšky ťahom
V každej zo vzoriek bola pozorovaná nižšia pevnosť v ťahu a väčšie predĺženie v smere šírky ako v smere dĺžky. Pri porovnaní čísel v tabuľke 4 je pozdĺžna pevnosť v ťahu vzorky (1) približne 5-krát väčšia ako šírková pevnosť v ťahu vzorky (1). Aj deformácia pri pretrhnutí je pre vzorku (1) v pozdĺžnom smere približne 15-krát nižšia ako pre vzorku (1) v šírkovom smere. Z uvedených výsledkov vyplýva, že tento separátor ( vzorka ( 1 ) ) bol vyrobený pomocou jednoosého ťahania v pozdĺžnom smere. Šírková pevnosť v ťahu vzorky (2) je približne dvojnásobná v porovnaní so vzorkou (1) a deformácia pri pretrhnutí je oveľa nižšia. Podobná tendencia ako pri vzorke (2) v šírkovom smere sa prejavuje aj pri vzorke (2) v pozdĺžnom smere. Preto sa vzhľadom na tendenciu väčšej pevnosti v ťahu a nižšej deformácie pri pretrhnutí pri vzorke (2) v pozdĺžnom smere predpokladá, že vzorka (2) bola vyrobená s nízkym dvojosovým ťahovým pomerom a že ťahový pomer v pozdĺžnom smere bol väčší ako v šírkovom smere. Získané údaje týkajúce sa mechanických vlastností v závislosti od teploty vzorky sú tiež zaujímavé. Pri porovnaní deformácie pri pretrhnutí a pevnosti v ťahu vzorky pri 25 °C a 60 °C, hoci sa hodnota deformácie pri pretrhnutí zvýšila 2-násobne v dôsledku zvýšenia skúšobnej teploty na 60 °C, došlo len k miernemu poklesu pevnosti v ťahu. Podobne pri porovnávaní hodnôt merania fyzikálnych vlastností pri 60 °C a 90 °C vykazovala deformácia pri pretrhnutí rovnakú tendenciu k výraznému nárastu ako pri porovnávaní hodnôt pri 25 °C a 60 °C. V tomto prípade však hodnota pevnosti v ťahu vykazuje výrazný pokles. Z uvedeného je zrejmé, že separátory lítium-iónových batérií použité v tomto teste si zachovávajú vynikajúcu mechanickú pevnosť pri 60 °C, a to bez ohľadu na ich zvýšené charakteristiky predĺženia. Špecifikácie vysokej mechanickej pevnosti sa vyžadujú pre separátory, aby odolali meniacej sa teplote v článku. Ako je zrejmé z výsledkov skúšok prierazom a ťahom separátorov lítium-iónových batérií pod kontrolou atmosférickej teploty, mechanické vlastnosti separátorov lítium-iónových batérií možno spoľahlivo vyhodnotiť pomocou presného univerzálneho testera Shimadzu AG-X s bohatým príslušenstvom.

Zdieľať tento článok

Stroje pre špeciálne aplikácie

Ďalšie aplikácie

Ikona pravého menu