Lösungen für Batterie Prüfungen
Lösungen für Batteriezellen, -module und -packs
Da die Nachfrage nach fortschrittlichen Batterien in Elektrofahrzeugen, Unterhaltungselektronik, Energiespeicherung und industriellen Anwendungen weiter wächst, stehen Batteriehersteller vor steigenden Anforderungen an Sicherheit, Leistung, Zuverlässigkeit und Produktionseffizienz. Instron bietet Prüflösungen für Batteriematerialien, Komponenten, Zellen, Module, Packs und fertige Geräte. Unsere Systeme unterstützen Anwendungen von Unterhaltungselektronik und tragbaren Geräten bis hin zu Elektrofahrzeugen und stationärer Energiespeicherung.
Als weltweit führendes Unternehmen in der Materialprüfungsbranche ist Instron einzigartig positioniert, um die Anforderungen von Batterieprüflaboren auf der ganzen Welt mit lokaler Unterstützung zu erfüllen, die schnell und in der Landessprache reagieren kann und unser vollständiges Leistungsspektrum bietet, einschließlich Installation, Kalibrierung, Schulung, Maschinenupgrades vor Ort und aller Serviceanforderungen, um Ausfallzeiten zu minimieren.
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Batterien bestehen aus einer Vielzahl von Materialien, Klebstoffen, Schweißnähten und Komponentenstrukturen, die gründliche Prüfungen erfordern. Zusätzlich zu unserem breiten Angebot an Standardspannvorrichtungen und -halterungen für Batterieprüfungen hat Instron kundenspezifische Vorrichtungen entwickelt, die speziell darauf ausgelegt sind, die Effizienz und Wiederholbarkeit der Prüfung von Batteriematerialien und -komponenten zu verbessern. Unsere Engineered Solutions Group kann schnelle Durchlaufzeiten bei Batterievorrichtungsdesigns für spezifische Anforderungen ermöglichen.
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Separatorfolien sind ein kritischer Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien sowie anderen Flüssigelektrolyt-Batterien. Die für diese Folien verwendeten Polymere müssen stark genug sein, um dem Wickelvorgang während der Montage sowie der ungleichmäßigen Beschichtung von Lithium auf der Anode aufgrund intensiver Nutzung standzuhalten. Sichereres und stärkeres Separatormaterial verhindert effektiver den Kontakt zwischen Anode und Kathode, während dünneres Material dazu beiträgt, das Gewicht jeder Batterie zu reduzieren und die Energiedichte zu verbessern.
Die Durchstoßprüfung von Separatorfolien ist entscheidend, um die Sicherheit und Langlebigkeit jeder Zelle während des gesamten Lebenszyklus einer Batterie zu gewährleisten. Die Folie muss stark genug sein, um Durchstichen durch Dendriten standzuhalten, die sich bei intensiver Nutzung bilden. Die Sicherstellung der richtigen Probenspannung und Ausrichtung einer oberen Sonde sind für diese Anwendung entscheidend. Die Prüfung ähnelt EN 14477 und ASTM F1306.
Sowohl manuelle als auch pneumatisch angetriebene Durchstoßvorrichtungen sind verfügbar, um EN 14477, ASTM F1306 und weitere Standards zu erfüllen. Pneumatische Vorrichtungen gewährleisten wiederholbare Spannkräfte und höheren Durchsatz. Die Integration in ein bestehendes System ist so einfach wie die Installation einer pneumatischen Spannvorrichtung.
Die Zugprüfung wird verwendet, um sicherzustellen, dass Separatorfolien allen mechanischen Vorgängen während der Herstellung und der Lebensdauer der Batterie standhalten können. Die Sicherstellung der richtigen Probenausrichtung, des Einlegens und des Betriebs der Spannvorrichtung sind für beste Wiederholbarkeit und Durchsatz erforderlich sowie um mögliche Schäden an einer Probe vor der Prüfung zu vermeiden. Wir empfehlen die Verwendung des Precision Specimen Loader, um die Variabilität der Testergebnisse zu reduzieren und gleichzeitig Ergonomie und Sicherheit zu verbessern. Die Prüfung ähnelt ASTM D882 und ISO 527-3.
Enges Wickeln erzeugt mechanische Belastungen zwischen der Separatorfolie und der Elektrodenbeschichtung, und es ist wichtig, den Reibungskoeffizienten zwischen den beiden Oberflächen zu verstehen. Ein besseres Verständnis des Reibungskoeffizienten kann sicherstellen, dass in der Produktion ordnungsgemäße Wickelprozesse ablaufen. Es ist üblich, ISO 8295 und ASTM D1894-14 als Leitfaden für diese Prüfung zu verwenden.
Die Materialauswahl für Separatorfolien ist für die Batterieintegrität von entscheidender Bedeutung, da mechanische Leistungsprobleme das Potenzial für interne Kurzschlüsse erhöhen können, die zu thermischem Durchgehen führen können. Die Prüfung der Durchstoßfestigkeit bei einem Aufprallereignis ist von entscheidender Bedeutung für die Auswahl des Materials mit der besten Leistung mit dem zusätzlichen Ziel, Dicke und Gewicht zu reduzieren.
Automatisierungssysteme von Instron führen ein neues Maß an Produktivität für Batterieprüfungen ein. Da die Produktionsvolumen von Batterien weiter steigen, sind Durchsatz und Effizienz entscheidend, um mit der Nachfrage Schritt zu halten. Die Verwendung eines Automatisierungssystems mit der empfohlenen Ausrüstung für jede Anwendung kann Bediener entlasten und den Durchsatz maximieren, während optimale Ergebnisse beibehalten werden.
Eine der häufigsten Ausfallarten bei Batterien wird verursacht, wenn die Beschichtung des Elektrodenmaterials vom Stromkollektor reißt oder sich ablöst. Dieses Reißen oder Ablösen wird typischerweise durch das ständige Laden und Entladen einer Batterie sowie durch die mechanische Belastung während des Gebrauchs verursacht. Es ist entscheidend, die Elektrodenhaftfestigkeit und Langlebigkeit zu verstehen, um sicherzustellen, dass eine Batterie nicht vor dem Ende ihres vorhergesagten Lebenszyklus ausfällt.
Die 180°-Abziehprüfung ist eine häufig verwendete Methode zur Bestimmung der Haftfestigkeit von Elektroden am Stromkollektor. Mit dem mechanischen Vorteil des Abziehaufbaus und der einfachen Ausrichtung kann diese Prüfung mit Niedrigkraftspannvorrichtungen und Kraftmessdosen durchgeführt werden. Es ist am besten, pneumatische Spannvorrichtungen und die Verwendung eines Metallsubstrats in Betracht zu ziehen, um einen hohen Durchsatz und ein ordnungsgemäßes 180°-Abziehen während jeder Prüfung sicherzustellen.
Die 90°-Abziehprüfung ist eine weitere gängige Methode zur Prüfung der Elektrodenhaftung in Batterien. Die 90°-Abziehprüfung umfasst im Allgemeinen etwas höhere Lasten als die 180°-Abziehprüfung und kann schneller eingerichtet werden, da sie oft kein Substrat erfordert. Die gängigsten Lösungen von Instron für diese Prüfung sind eine Standard-90°-Abziehvorrichtung oder eine pneumatische Abziehvorrichtung, die speziell für die Prüfung der Haftung von Elektroden entwickelt wurde. Die pneumatische 90°-Abziehvorrichtung bietet verbesserte Wiederholbarkeit und Durchsatz und unterstützt den Bediener auch bei der konsistenten Probenplatzierung und Ausrichtung bei 90°. Für die obere Vorrichtung optimiert eine pneumatische Spannvorrichtung Durchsatz und Wiederholbarkeit und wird für die Prüfung empfindlicher Materialien empfohlen.
Klebeprüfungen wurden von Forschern als zusätzliche Möglichkeit zur Prüfung der Haftung von Elektroden am Stromkollektor in Batterien unterstützt. Anstatt Elektroden langsam vom Stromkollektor abzuziehen, konzentriert sich eine Klebeprüfung auf die Haftfestigkeit einer gesamten vorbestimmten Fläche von Elektroden. Eine sehr schnelle Datenerfassung in Kombination mit Instrons Klebeprüfungsvorrichtung gewährleistet die bestmöglichen Ergebnisse und den höchsten Durchsatz.
Aluminium- und Kupferfolien werden als Stromkollektoren in Batterien verwendet und werden traditionell in großen Mengen benötigt. Da die Industrie bestrebt ist, minimale Materialmengen zu verwenden, um eine optimale Energiedichte jeder Batterie zu erreichen, ist es entscheidend, die mechanischen Eigenschaften jeder Folie zu verstehen, um die Sicherheit und Langlebigkeit der Batterie zu gewährleisten. Da Folien länger, dünner und breiter werden, ist verbesserte Technologie erforderlich, um das Knittern und Reißen zu bewältigen, das damit einhergehen kann. Die Validierung und Aufrechterhaltung der mechanischen Eigenschaften dieses Materials ist entscheidend für die Optimierung der Batterieproduktion.
Ein Standard-Zugversuch ist die am besten geeignete Methode zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Aluminium- und Kupferfolienproben. Pneumatische Seitenwirkungsspannvorrichtungen bieten konstanten Druck mit schnellem Durchsatz für diese Hochvolumenmaterialien, und die richtige Probenausrichtung ist entscheidend für Wiederholbarkeit und Schutz der Probe vor der Prüfung, da dünne Folien durch geringfügige Fehlausrichtung innerhalb der Spannvorrichtungen beeinträchtigt werden können. Wir empfehlen die Verwendung des Precision Specimen Loader, um die Variabilität der Testergebnisse zu reduzieren und gleichzeitig Ergonomie und Sicherheit zu verbessern. Es ist üblich, ASTM E345-16 als Leitfaden für diese Prüfung zu verwenden.
Da die Produktionsvolumen von Batterien weiter steigen und das Material dünner wird, sind Durchsatz und Effizienz entscheidend, um mit der Nachfrage Schritt zu halten. Die Verwendung eines Automatisierungssystems mit der empfohlenen Ausrüstung kann mit der Nachfrage nach dünneren, breiteren und längeren Folienproben Schritt halten sowie Bediener entlasten und den Durchsatz maximieren, während optimale Ergebnisse beibehalten werden.
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Lithium-Ionen- und andere Flüssigelektrolyt-Batterien erfordern unzählige Schweißnähte zwischen Elektroden, Laschen, Gehäusen und Zellen. Das Verständnis der häufigsten Ausfallarten und der Festigkeit jeder Schweißnaht ist entscheidend für die Bestimmung der Lebensdauer einer Batterie. Jede Schweißnaht muss der mechanischen Belastung standhalten, die mit dem Einbau in ein Fahrzeug oder Gerät einhergeht, was die Schweißnaht im Laufe der Zeit beanspruchen kann. Batteriebetriebene Produkte sind Vibrationen, Handhabung, Transport und Betriebslasten ausgesetzt, die beim Schweißnahtdesign und der Qualitätsvalidierung berücksichtigt werden müssen.
Zylindrische Zellen erfordern während der Montage mehrere Schweißnähte, einschließlich der Kathodenlasche an der Kappe der Zelle, der Anodenlasche an der Basis der Dose und sogar der einzelnen Laschen-zu-Laschen-Schweißnähte. Alle diese erfordern geeignete Ausrichtungs- und Spannlösungen für hohen Durchsatz und wiederholbare Ergebnisse.
Die Mehrheit der Schweißnähte in prismatischen Zellen befindet sich zwischen den Kathoden-/Anodenlaschen zu jedem der Stromkollektoren sowie innerhalb der Busbar oder der Dose selbst. Ausfälle können an allen Stellen auftreten und müssen auf Konsistenz und Haltbarkeit überprüft werden.
Pouch-Zellen haben zusammengeschweißte Anoden- oder Kathodenlaschen sowie Laschen, die an den Zellenanschluss geschweißt sind. Zusätzlich haben Pouch-Zellen Busbar-Schweißnähte, die geprüft werden müssen. Die richtige Vorrichtungs- und Probenausrichtung sowie eine vielseitige Lösung für verschiedene Größen sind wichtig.
Da immer mehr Komponenten und Materialien in die Batterieindustrie eingeführt werden, gibt es unzählige weitere Merkmale, die auf Qualität, Festigkeit, Sicherheit und Langlebigkeit jedes Designs geprüft werden müssen.
Das Anschwellen einer Batterie während des Ladens und Entladens ist eine wichtige zu prüfende Eigenschaft. Einige Zellen sind dafür bekannt, während des Zyklierens minimale Ausdehnung und Kontraktion zu haben. Prismatische und Pouch-Zellen zeigen jedoch bekanntermaßen erhebliche Ausdehnung und Kontraktion, die charakterisiert werden muss, um die ordnungsgemäße Verwendung und Sicherheit jeder Zelle zu gewährleisten.
Stapeldruckprüfungen können verwendet werden, um reale Kräfte und mechanische Belastungen während der Lebensdauer einer Batterie am besten zu replizieren.
Instrons breites Sortiment an Druckplatten, gekoppelt mit einem Standard- oder hochgenauen Wegaufnehmer, kann verwendet werden, um das Verhalten von Schaummaterial unter Last vollständig zu charakterisieren. Benutzer können statische oder zyklische Druckprüfungen mit einem Satz Druckplatten durchführen, die in mehreren Größen und Formen erhältlich sind, und synchron Last- und lokalisierte Wegdaten erfassen, um Schäume und Gele zu prüfen, die in Batteriezellen-, Modul-, Pack- und elektronischen Gerätebaugruppen verwendet werden.
Zusätzlich kann eine Heizplatte an den unteren Druckamboss hinzugefügt werden, um die Temperatur der Druckoberfläche zu steuern. Ein geschlossener Regelkreis wird verwendet, um die Temperatur der Platte zu steuern und die tatsächlichen Temperaturwerte an die Prüfsoftware auszugeben.
Instron-Benutzer können zwischen manuellen und pneumatischen Spannvorrichtungen wählen, um die wichtigen Überlappungsscherprüfungen durchzuführen, die zur Charakterisierung der Verbindungsfestigkeit von Klebstoffen und Schweißnähten erforderlich sind, die in Pack- und Modulbaugruppen verwendet werden. Spezialisierte, automatisierte Lösungen können auch bereitgestellt werden, um Spannvorrichtungen lateral basierend auf Überlappungsscherprobeninformationen aus einem Barcode oder gemessenen Abmessungen auszurichten.
Materialien, Zellen, Module und Packs können sich alle unter sich ändernden Umgebungsbedingungen unterschiedlich verhalten. In den Instron-Prüfrahmen integrierte Prüfkammern ermöglichen es Benutzern, ihre Proben unter Last zu prüfen, während sie die Umgebung des Prüfraums überwachen und steuern.
Universalprüfsysteme
Universalprüfsysteme können mit einer breiten Palette von Zubehör ausgestattet werden, um grundlegende Festigkeits- und statische Eigenschaftsprüfungen durchzuführen. Diese sind ideal für monotone Prüfungen bei niedriger Geschwindigkeit (1–600 mm/min).
Impact-Prüfsysteme
Drop-Tower-Systeme werden verwendet, um Aufprallbelastungen bei mittlerer bis hoher Geschwindigkeit anzuwenden und zu messen (typischerweise Durchstoß oder Punkteindrückung). Einzelschlagprüfungen werden hinsichtlich Aufprallgeschwindigkeit und Energie gesteuert (1–24 m/s und bis zu 1.800 J).
Ermüdungsprüfsysteme
Verwendet für Prüfungen, die eine niedrige bis mittlere Kraftkapazität erfordern, sind diese Maschinen in der Lage, Ermüdungs- und zyklische Belastungen mit bis zu 100 Hz durchzuführen (transiente Bewegungen bei über 1 m/s oder 40G-Beschleunigung), können aber auch für statische Prüfungen eingesetzt werden.
Servohydraulische Hochgeschwindigkeitsprüfsysteme
Diese hochspezialisierten Prüfsysteme können mit Geschwindigkeiten von bis zu 25 m/s bei hoher Kraft prüfen und werden häufig verwendet, um die Eigenschaften von Materialien unter Crashbedingungen zu bestimmen. Sie können auch für Durchstoß- und Quetschprüfungen verwendet werden.
HDT-Vicat
-Prüfsysteme
Diese Prüfmaschinen werden verwendet, um das Verhalten von Kunststoffmaterialien bei hohen Temperaturen zu charakterisieren und ihre Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) und Vicat-Erweichungstemperatur zu messen.
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Automatisierte
Prüfsysteme
Prüfgeräte werden zunehmend automatisiert, von automatischen Probenmessgeräten bis hin zu vollständig robotergestützten Systemen, die Laboren in der gesamten Batterieindustrie helfen, wachsende Prüfvolumen effizienter zu bewältigen.