Calorimetri per la ricerca sulla propagazione termica delle batterie agli ioni di litio

Calorimetri per la ricerca sulla propagazione termica delle batterie agli ioni di litio

Il Dr. Carlos Ziebert, capo delCentro Calorimetrico di IAM-AWP, KIT, spiegacome i calorimetri possono essere applicati per migliorare i materiali per la mitigazione della propagazione termica nelle batterie agli ioni di litio

Fondato nel 2011, il Calorimeter Center del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Institute for Applied Materials - Applied Materials Physics, gestisce il più grande laboratorio europeo di calorimetri per batterie. Sei Calorimetri ad Accelerazione di Velocità (ARCs, Thermal Hazard Technology) di diverse dimensioni usati in combinazione con i ciclatori permettono la valutazione dei dati termodinamici, termici e di sicurezza per le celle agli ioni di litio a livello di materiale, cella e pacco sia per condizioni normali che di abuso (termico, elettrico e meccanico). Le celle agli ioni di litio hanno i vantaggi dell'alta densità di energia, della capacità di carica/scarica veloce, dell'assenza di effetto memoria e della bassa autoscarica, che le rendono la fonte di energia più adatta per i dispositivi elettronici portatili e per l'elettrificazione dei trasporti, che sta sempre più influenzando la nostra vita quotidiana nel 21° secolo.

Propagazione termica

È chiaro che le questioni di sicurezza hanno una grande influenza sulla volontà dei consumatori di adottare le batterie agli ioni di litio, perché un aumento incontrollabile della temperatura dell'intero sistema (il cosiddetto thermal runaway) può causare un'accensione o addirittura un'esplosione della batteria con rilascio simultaneo di gas tossici. Se non è possibile impedire che una singola cella vada in fuga termica, l'ultimo passo è impedire la propagazione della fuga termica da una cella alle celle vicine, la cosiddetta propagazione termica o almeno estendere il tempo fino alla propagazione termica a 5-10 minuti. Questo dovrebbe dare ai passeggeri di un veicolo elettrico abbastanza tempo per fuggire o per essere salvati dai vigili del fuoco. Le ARC su larga scala sono adatte per studiare la propagazione termica

Configurazione di qualificazione dei materiali per l'attenuazione della propagazione termica

Recentemente al Calorimeter Center è stato sviluppato un setup che permette di sviluppare e qualificare le contromisure adatte, come gli scudi termici . Questo setup consiste in una scatola di metallo, che imita una scatola di batteria e viene messa nella camera del calorimetro. Quattro celle a sacchetto sono installate nella scatola e dotate di termocoppie che sono collegate al software ARC. Un tappetino riscaldante è attaccato alla cella 2 e il materiale dello scudo termico da testare è installato tra le celle 3 e 4 e sotto il coperchio (s. Fig. 1). Con l'aiuto del tappetino riscaldante, la cella 2 viene riscaldata per iniziare la sua fuga termica. La Fig. 2 mostra chiaramente che la fuga termica si propaga istantaneamente alla cella 1 e alla cella 3. Tuttavia, il materiale di protezione migliorato DEFENSOR MULTIFLEX® di HKO Group, che è stato testato in questo esempio, è in grado di ritardare la propagazione termica alla cella 4 di 9 minuti. Inoltre, la temperatura sulla parte superiore del coperchio, la cosiddetta temperatura del lato freddo, è rimasta sotto gli 80 °C durante l'intero test, mentre all'interno della scatola della batteria sono state raggiunte temperature fino a 850 °C.

Fig.1 Setup per il test di propagazione termica

Fig.2 Qualificazione del materiale per l'estensione del tempo di propagazione termica

Attualmente si sta sviluppando un regolamento tecnico globale (GTR) sulla sicurezza dei veicoli elettrici da parte di tutte le parti interessate, che include la propagazione termica. Quindi, ci sono ancora molte discussioni e ricerche in corso per decidere quale sia il miglior metodo di inizializzazione, che potrebbe diventare uno standard. Speriamo che la ricerca nel Centro Calorimetrico aiuti a fare progressi in questo campo.

Autore: Governo ad accesso aperto

Questo articolo è pubblicato sotto licenza Creative Commons CC-BY.