Soluciones para pruebas de baterías
Soluciones para celdas, módulos y paquetes de baterías
A medida que la demanda de baterías avanzadas sigue creciendo en los sectores de vehículos eléctricos, electrónica de consumo, almacenamiento de energía y aplicaciones industriales, los fabricantes de baterías se enfrentan a una exigencia cada vez mayor en cuanto a seguridad, rendimiento, fiabilidad y eficiencia de producción. Instron ofrece soluciones de pruebas para materiales, componentes, celdas, módulos, paquetes y dispositivos acabados de baterías. Nuestros sistemas son compatibles con aplicaciones que van desde la electrónica de consumo y los dispositivos portátiles hasta los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía estacionario.
Como líder mundial en la industria de pruebas de materiales, Instron goza de una posición única para satisfacer las necesidades de los laboratorios de pruebas de baterías de todo el mundo con un soporte local capaz de responder rápidamente y en el idioma local, ofreciendo nuestra gama completa de servicios, que incluye instalación, calibración, formación, actualizaciones de máquinas in situ y cualquier necesidad de servicio a lo largo del camino para minimizar el tiempo de inactividad.
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Las baterías se componen de diversos materiales, adhesivos, soldaduras y estructuras de componentes que requieren pruebas exhaustivas. Además de nuestra amplia oferta de mordazas y accesorios estándar para pruebas de baterías, Instron ha desarrollado accesorios personalizados diseñados específicamente para mejorar la eficiencia y la repetibilidad de las pruebas de materiales y componentes de baterías. Nuestro Grupo de Soluciones de Ingeniería puede ofrecer plazos de entrega rápidos en diseños de accesorios para baterías que se adapten a necesidades específicas.
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Las películas separadoras son una parte crítica de las baterías de iones de litio, así como de otras baterías de electrolito líquido. Los polímeros utilizados para estas películas deben ser lo suficientemente resistentes para soportar la operación de bobinado durante el montaje, así como el chapado de litio en el ánodo de forma desigual debido al uso intensivo. Un material separador más seguro y resistente evita con mayor eficacia el contacto entre el ánodo y el cátodo, mientras que un material más fino ayuda a reducir el peso de cada batería y a mejorar la densidad energética.
Las pruebas de perforación de la película separadora son fundamentales para garantizar la seguridad y la longevidad de cada celda a lo largo del ciclo de vida de una batería. La película debe ser lo suficientemente resistente para soportar las perforaciones de las dendritas que se forman con el uso intensivo. Garantizar la tensión adecuada de la probeta y la alineación de una sonda superior es fundamental para esta aplicación. Las pruebas son similares a las normas EN 14477 y ASTM F1306.
Se dispone de accesorios de perforación tanto manuales como neumáticos para cumplir con las normas EN 14477, ASTM F1306 y otras. Los accesorios neumáticos garantizan fuerzas de sujeción repetibles y un mayor rendimiento. La integración en un sistema existente es tan sencilla como instalar una mordaza neumática.
Las pruebas de tracción se utilizan para garantizar que la película separadora pueda soportar todas las operaciones mecánicas durante la fabricación y la vida útil de la batería. Garantizar la alineación, la inserción y el funcionamiento correctos de las mordazas es necesario para obtener la mejor repetibilidad y rendimiento, así como para evitar posibles daños a la probeta antes de la prueba. Recomendamos utilizar el Cargador de Probetas de Precisión para reducir la variabilidad en los resultados de las pruebas, mejorando al mismo tiempo la ergonomía y la seguridad. Las pruebas son similares a las normas ASTM D882 e ISO 527-3.
El bobinado apretado crea cargas mecánicas entre la película separadora y el revestimiento del electrodo, y es importante conocer el coeficiente de fricción entre las dos superficies. Un mejor conocimiento del coeficiente de fricción puede garantizar que se produzcan procesos de bobinado adecuados en la producción. Es habitual utilizar las normas ISO 8295 y ASTM D1894-14 como guía para estas pruebas.
La selección del material para la película separadora es esencial para la integridad de la batería, ya que cualquier problema de rendimiento mecánico puede aumentar la posibilidad de cortocircuitos internos, lo que puede provocar un escape térmico. Probar la resistencia a la perforación ante un evento de impacto es de vital importancia para seleccionar el material con el mejor rendimiento, con el objetivo añadido de reducir el grosor y el peso.
Los sistemas de automatización de Instron introducen un nuevo nivel de productividad para las pruebas de baterías. A medida que los volúmenes de producción de baterías siguen aumentando, el rendimiento y la eficiencia son fundamentales para satisfacer la demanda. La utilización de un sistema de automatización con el equipo recomendado para cada aplicación puede liberar a los operadores y maximizar el rendimiento, manteniendo al mismo tiempo unos resultados óptimos.
Uno de los modos de fallo más comunes en las baterías se produce cuando el revestimiento del material del electrodo se agrieta o se delamina del colector de corriente. Este agrietamiento o delaminación suele estar causado por la carga y descarga constante de la batería, así como por la carga mecánica durante su uso. Es fundamental conocer la fuerza de adhesión del electrodo y su longevidad para garantizar que la batería no falle antes del final de su ciclo de vida previsto.
La prueba de pelado a 180° es un método comúnmente utilizado para determinar la fuerza de adhesión de los electrodos al colector de corriente. Gracias a la ventaja mecánica de la configuración de pelado y a la facilidad de alineación, esta prueba puede realizarse utilizando mordazas y células de carga de baja fuerza. Lo mejor es considerar las mordazas neumáticas y el uso de un sustrato metálico para garantizar un alto rendimiento y un pelado adecuado a 180° en cada prueba.
La prueba de pelado a 90° es otro método común para probar la adhesión de los electrodos en las baterías. La prueba de pelado a 90° suele implicar cargas ligeramente superiores a las de la prueba de pelado a 180° y puede configurarse más rápidamente porque a menudo no requiere un sustrato. Las soluciones más comunes de Instron para esta prueba son un accesorio de pelado estándar a 90° o un accesorio de pelado neumático diseñado específicamente para probar la adhesión de los electrodos. El accesorio neumático de pelado a 90° proporciona una repetibilidad y un rendimiento mejorados, al tiempo que ayuda al operador a colocar y alinear la probeta de forma coherente a 90°. Para el accesorio superior, una mordaza neumática optimiza el rendimiento y la repetibilidad, y se recomienda para probar materiales delicados.
Las pruebas de pegajosidad han sido respaldadas por los investigadores como una forma adicional de probar la adhesión de los electrodos al colector de corriente en las baterías. En lugar de pelar lentamente los electrodos del colector de corriente, una prueba de pegajosidad se centra en la fuerza de adhesión de toda una zona predeterminada de electrodos. Una recopilación de datos a velocidad muy rápida junto con los accesorios para pruebas de pegajosidad de Instron garantizan los mejores resultados y el mejor rendimiento posibles.
Las láminas de aluminio y cobre se utilizan como colectores de corriente en las baterías y, tradicionalmente, se necesitan en grandes volúmenes. Dado que la industria se esfuerza por utilizar cantidades mínimas de material para lograr una densidad energética óptima en cada batería, es fundamental conocer las propiedades mecánicas de cada lámina para garantizar la seguridad y la longevidad de la batería. A medida que la lámina se vuelve más larga, fina y ancha, se requiere una tecnología mejorada para abordar las arrugas y los desgarros que pueden surgir. Validar y mantener las propiedades mecánicas de este material es fundamental para optimizar la producción de baterías.
Una prueba de tracción estándar es la forma más adecuada de determinar las propiedades mecánicas de las probetas de láminas de aluminio y cobre. Las mordazas neumáticas de acción lateral ofrecen una presión constante con un rendimiento rápido para estos materiales de gran volumen, y la alineación correcta de la probeta es fundamental para la repetibilidad y la protección de la probeta antes de la prueba, ya que las láminas finas pueden verse afectadas por una ligera desalineación dentro de las mordazas. Recomendamos utilizar el Cargador de Probetas de Precisión para reducir la variabilidad en los resultados de las pruebas, mejorando al mismo tiempo la ergonomía y la seguridad. Es habitual utilizar la norma ASTM E345-16 como guía para estas pruebas.
A medida que los volúmenes de producción de baterías siguen aumentando y el material se vuelve más fino, el rendimiento y la eficiencia son fundamentales para satisfacer la demanda. La utilización de un sistema de automatización con el equipo recomendado puede satisfacer la demanda de probetas de láminas más finas, anchas y largas, además de liberar a los operadores y maximizar el rendimiento, manteniendo al mismo tiempo unos resultados óptimos.
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Las baterías de iones de litio y otras de electrolito líquido requieren innumerables soldaduras entre electrodos, lengüetas, carcasas y celdas. Conocer los modos de fallo más comunes y la resistencia de cada soldadura es fundamental para determinar la vida útil de una batería. Cada soldadura debe soportar la carga mecánica que supone estar dentro de un vehículo o dispositivo, lo que puede desgastar la soldadura con el tiempo. Los productos alimentados por baterías están expuestos a vibraciones, manipulación, transporte y cargas operativas que deben tenerse en cuenta en el diseño de la soldadura y en la validación de la calidad.
Las celdas cilíndricas requieren varias soldaduras durante el montaje, incluida la de la lengüeta del cátodo a la tapa de la celda, la de la lengüeta del ánodo a la base del bote e incluso las soldaduras individuales de lengüeta a lengüeta. Todas ellas requieren soluciones de alineación y sujeción adecuadas para obtener un alto rendimiento y resultados repetibles.
La mayoría de las soldaduras en las celdas prismáticas se realizan entre las lengüetas del cátodo/ánodo y cada uno de los colectores de corriente, así como dentro de la barra colectora (busbar) o del propio bote. Pueden producirse fallos en todos los puntos, por lo que debe comprobarse su consistencia y durabilidad.
Las celdas tipo bolsa tienen lengüetas de ánodo o cátodo soldadas entre sí, así como lengüetas soldadas al terminal de la celda. Además, las celdas tipo bolsa tienen soldaduras de barras colectoras que deben probarse. Es importante contar con una alineación adecuada de los accesorios y las probetas, junto con una solución versátil para diferentes tamaños.
A medida que se introducen más y más componentes y materiales en la industria de las baterías, existen otras innumerables características que deben probarse para garantizar la calidad, resistencia, seguridad y longevidad de cada diseño.
El hinchamiento de una batería durante la carga y la descarga es una característica importante que debe probarse. Se sabe que algunas celdas presentan una expansión y contracción mínimas durante el ciclado. Sin embargo, se sabe que las celdas prismáticas y tipo bolsa presentan una expansión y contracción significativas, que deben caracterizarse para garantizar el uso adecuado y la seguridad de cada celda.
Las pruebas de compresión de apilamiento pueden utilizarse para replicar mejor las fuerzas del mundo real y el abuso mecánico durante la vida de una batería.
La amplia gama de platos de compresión de Instron, junto con un sensor de desplazamiento estándar o de alta precisión, puede utilizarse para caracterizar totalmente el comportamiento del material de espuma bajo carga. Los usuarios pueden realizar pruebas de compresión estáticas o cíclicas utilizando un juego de platos de compresión, disponibles en múltiples tamaños y formas, y adquirir de forma síncrona datos de carga y desplazamiento localizado para probar espumas y geles utilizados en conjuntos de celdas, módulos, paquetes y dispositivos electrónicos de baterías.
Además, se puede añadir una placa térmica al yunque de compresión inferior para controlar la temperatura de la superficie de compresión. Se utiliza un controlador de bucle cerrado para controlar la temperatura de la placa y enviar las lecturas de temperatura reales al software de pruebas.
Los usuarios de Instron pueden elegir entre mordazas manuales y neumáticas para realizar las importantes pruebas de cizalladura por solape necesarias para caracterizar la fuerza de unión de los adhesivos y las soldaduras utilizados en los conjuntos de paquetes y módulos. También se pueden proporcionar soluciones especializadas y automatizadas para alinear las mordazas lateralmente basándose en la información de la probeta de cizalladura por solape de un código de barras o de las dimensiones medidas.
Los materiales, las celdas, los módulos y los paquetes pueden comportarse de forma diferente ante condiciones ambientales cambiantes. Las cámaras de pruebas integradas en el bastidor de pruebas Instron permiten a los usuarios probar sus probetas bajo carga mientras supervisan y controlan el entorno del espacio de pruebas.
Sistemas de pruebas universales
Los sistemas de pruebas universales pueden equiparse con una amplia gama de accesorios para realizar pruebas fundamentales de resistencia y propiedades estáticas. Son ideales para pruebas monotónicas a baja velocidad (1 - 600 mm/min).
Sistemas de pruebas de impacto
Los sistemas de torre de caída se utilizan para aplicar y medir la carga de impacto a velocidad moderada o alta (normalmente perforación o indentación puntual). Las pruebas de un solo golpe se controlan en términos de velocidad y energía incidentes (1-24 m/s y hasta 1800 J).
Sistemas de pruebas de fatiga
Utilizadas para pruebas que requieren una capacidad de fuerza de baja a moderada, estas máquinas son capaces de realizar fatiga y carga cíclica hasta 100 Hz (movimientos transitorios a más de 1 m/s o aceleración de 40 G), pero también pueden emplearse para pruebas estáticas.
Sistemas de pruebas servohidráulicos de alta velocidad
Estos sistemas de pruebas altamente especializados pueden realizar pruebas a velocidades de hasta 25 m/s con fuerzas elevadas y se utilizan habitualmente para determinar las propiedades de los materiales en condiciones de choque. También pueden utilizarse para pruebas de perforación y aplastamiento.
Sistemas de pruebas
HDT Vicat
Estas máquinas de pruebas se utilizan para caracterizar el comportamiento de los materiales plásticos a altas temperaturas, midiendo su temperatura de deflexión térmica (HDT) y su temperatura de reblandecimiento Vicat.
Más información
Sistemas de pruebas
automatizados
Los equipos de pruebas están cada vez más automatizados, desde dispositivos de medición automática de probetas hasta sistemas totalmente robóticos, lo que ayuda a los laboratorios de toda la industria de las baterías a gestionar volúmenes crecientes de pruebas de forma más eficiente.