Solutions d'essais de batteries
Solutions pour cellules, modules et packs de batteries
Alors que la demande de batteries avancées continue de croître dans les véhicules électriques, l'électronique grand public, le stockage d'énergie et les applications industrielles, les fabricants de batteries font face à des exigences croissantes en matière de sécurité, de performance, de fiabilité et d'efficacité de production. Instron propose des solutions d'essais pour les matériaux, composants, cellules, modules, packs et dispositifs finis de batteries. Nos systèmes prennent en charge des applications allant de l'électronique grand public et des appareils portables aux véhicules électriques et au stockage d'énergie stationnaire.
En tant que leader mondial dans le secteur des essais de matériaux, Instron est particulièrement bien placé pour répondre aux besoins des laboratoires d'essais de batteries partout dans le monde avec un support local capable de réagir rapidement et dans la langue locale, en fournissant notre gamme complète de services, notamment l'installation, l'étalonnage, la formation, les mises à niveau de machines sur site et tous les besoins de service en cours de route pour minimiser les temps d'arrêt.
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Les batteries sont composées d'une variété de matériaux, d'adhésifs, de soudures et de structures de composants qui nécessitent des essais approfondis. En plus de notre large gamme de mâchoires et de dispositifs standard pour les essais de batteries, Instron a développé des dispositifs personnalisés spécialement conçus pour améliorer l'efficacité et la répétabilité des essais de matériaux et de composants de batteries. Notre groupe de solutions d'ingénierie peut répondre rapidement aux demandes de conception de dispositifs pour batteries afin de répondre à des besoins spécifiques.
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Les films séparateurs sont un élément essentiel des batteries lithium-ion ainsi que d'autres batteries à électrolyte liquide. Les polymères utilisés pour ces films doivent être suffisamment résistants pour supporter l'opération d'enroulement pendant l'assemblage ainsi que le placage du lithium sur l'anode de manière irrégulière en raison d'une utilisation intensive. Un matériau séparateur plus sûr et plus résistant empêche plus efficacement le contact entre l'anode et la cathode, tandis qu'un matériau plus fin contribue à réduire le poids de chaque batterie et à améliorer la densité énergétique.
L'essai de perforation du film séparateur est essentiel pour garantir la sécurité et la longévité de chaque cellule tout au long du cycle de vie d'une batterie. Le film doit être suffisamment résistant pour supporter les perforations causées par les dendrites qui se forment avec une utilisation intensive. Assurer une tension appropriée de l'éprouvette et l'alignement d'une sonde supérieure sont essentiels pour cette application. L'essai est similaire à EN 14477 et ASTM F1306.
Des dispositifs de perforation manuels et pneumatiques sont disponibles pour répondre aux normes EN 14477, ASTM F1306 et plus encore. Les dispositifs pneumatiques garantissent des forces de serrage répétables et un débit plus élevé. L'intégration dans un système existant est aussi simple que l'installation d'une mâchoire pneumatique.
L'essai de traction est utilisé pour garantir que le film séparateur peut supporter toutes les opérations mécaniques pendant la fabrication et la durée de vie de la batterie. Assurer un alignement, une insertion et un fonctionnement appropriés des mâchoires de l'éprouvette sont nécessaires pour une meilleure répétabilité et un meilleur débit, ainsi que pour éviter d'éventuels dommages à l'éprouvette avant l'essai. Nous recommandons d'utiliser le chargeur d'éprouvettes de précision pour réduire la variabilité des résultats d'essai tout en améliorant l'ergonomie et la sécurité. L'essai est similaire à ASTM D882 et ISO 527-3.
L'enroulement serré crée des charges mécaniques entre le film séparateur et le revêtement d'électrode, et il est important de comprendre le coefficient de frottement entre les deux surfaces. Une meilleure compréhension du coefficient de frottement peut garantir que les processus d'enroulement appropriés se produisent en production. Il est courant d'utiliser ISO 8295 et ASTM D1894-14 comme référence pour cet essai.
La sélection du matériau pour le film séparateur est essentielle pour l'intégrité de la batterie, car tout problème de performance mécanique peut augmenter le potentiel de courts-circuits internes, ce qui peut entraîner un emballement thermique. Tester la résistance à la perforation lors d'un événement d'impact est d'une importance cruciale pour sélectionner le matériau offrant les meilleures performances avec un objectif supplémentaire de réduction de l'épaisseur et du poids.
Les systèmes d'automatisation d'Instron introduisent un nouveau niveau de productivité pour les essais de batteries. Alors que les volumes de production de batteries continuent d'augmenter, le débit et l'efficacité sont essentiels pour suivre la demande. L'utilisation d'un système d'automatisation avec l'équipement recommandé pour chaque application peut libérer les opérateurs et maximiser le débit, tout en maintenant des résultats optimaux.
L'un des modes de défaillance les plus courants dans les batteries est causé lorsque le revêtement du matériau d'électrode se fissure ou se délamine du collecteur de courant. Cette fissuration ou délamination est généralement causée par la charge et la décharge constantes d'une batterie ainsi que par la charge mécanique lors de l'utilisation. Il est essentiel de comprendre la résistance d'adhésion des électrodes et la longévité pour garantir qu'une batterie ne tombe pas en panne avant la fin de son cycle de vie prévu.
L'essai de pelage à 180° est une méthode couramment utilisée pour déterminer la résistance d'adhésion des électrodes au collecteur de courant. Avec l'avantage mécanique de la configuration de pelage et la facilité d'alignement, cet essai peut être effectué en utilisant des mâchoires et des cellules de charge de faible force. Il est préférable d'envisager des mâchoires pneumatiques et l'utilisation d'un substrat métallique pour garantir un débit élevé et un pelage approprié à 180° tout au long de chaque essai.
L'essai de pelage à 90° est une autre méthode courante pour tester l'adhésion des électrodes dans les batteries. L'essai de pelage à 90° implique généralement des charges légèrement plus élevées que l'essai de pelage à 180° et peut être configuré plus rapidement car il ne nécessite souvent pas de substrat. Les solutions les plus courantes d'Instron pour cet essai sont un dispositif de pelage à 90° standard ou un dispositif de pelage pneumatique conçu spécifiquement pour tester l'adhésion des électrodes. Le dispositif de pelage pneumatique à 90° offre une répétabilité et un débit améliorés tout en aidant l'opérateur à placer et aligner l'éprouvette de manière cohérente à 90°. Pour le dispositif supérieur, une mâchoire pneumatique optimise le débit et la répétabilité et est recommandée pour tester les matériaux délicats.
Les essais d'adhérence ont été soutenus par les chercheurs comme un moyen supplémentaire de tester l'adhésion des électrodes au collecteur de courant dans les batteries. Au lieu de peler lentement les électrodes du collecteur de courant, un essai d'adhérence se concentre sur la résistance d'adhésion d'une zone prédéterminée entière d'électrodes. Une collecte de données à très haute fréquence associée aux dispositifs d'essai d'adhérence d'Instron garantit les meilleurs résultats et débit possibles.
Les feuilles d'aluminium et de cuivre sont utilisées comme collecteurs de courant dans les batteries et sont traditionnellement nécessaires en grands volumes. Alors que l'industrie s'efforce d'utiliser des quantités minimales de matériau pour atteindre une densité énergétique optimale de chaque batterie, il est essentiel de comprendre les propriétés mécaniques de chaque feuille afin de garantir la sécurité et la longévité de la batterie. À mesure que la feuille devient plus longue, plus fine et plus large, une technologie améliorée est nécessaire pour traiter le froissement et la déchirure qui peuvent l'accompagner. Valider et maintenir les propriétés mécaniques de ce matériau est essentiel pour optimiser la production de batteries.
Un essai de traction standard est le moyen le plus approprié pour déterminer les propriétés mécaniques des éprouvettes de feuilles d'aluminium et de cuivre. Les mâchoires pneumatiques à action latérale offrent une pression constante avec un débit rapide pour ces matériaux à volume élevé, et un alignement approprié de l'éprouvette est essentiel pour la répétabilité et la protection de l'éprouvette avant l'essai, car les feuilles minces peuvent être affectées par un léger désalignement dans les mâchoires. Nous recommandons d'utiliser le chargeur d'éprouvettes de précision pour réduire la variabilité des résultats d'essai tout en améliorant l'ergonomie et la sécurité. Il est courant d'utiliser ASTM E345-16 comme référence pour cet essai.
Alors que les volumes de production de batteries continuent d'augmenter et que le matériau devient plus fin, le débit et l'efficacité sont essentiels pour suivre la demande. L'utilisation d'un système d'automatisation avec l'équipement recommandé peut suivre la demande d'éprouvettes de feuilles plus fines, plus larges et plus longues ainsi que libérer les opérateurs et maximiser le débit, tout en maintenant des résultats optimaux.
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Les batteries lithium-ion et autres batteries à électrolyte liquide nécessitent d'innombrables soudures entre les électrodes, les languettes, les boîtiers et les cellules. Comprendre les modes de défaillance les plus courants et la résistance de chaque soudure est essentiel pour déterminer la durée de vie d'une batterie. Chaque soudure doit supporter la charge mécanique qui accompagne le fait d'être à l'intérieur d'un véhicule ou d'un appareil, ce qui peut user la soudure au fil du temps. Les produits alimentés par batterie sont exposés aux vibrations, à la manipulation, au transport et aux charges opérationnelles qui doivent être prises en compte dans la conception des soudures et la validation de la qualité.
Les cellules cylindriques nécessitent plusieurs soudures pendant l'assemblage, notamment la languette de cathode au capuchon de la cellule, la languette d'anode à la base du boîtier, et même les soudures individuelles de languette à languette. Toutes ces soudures nécessitent des solutions d'alignement et de préhension appropriées pour un débit élevé et des résultats répétables.
La majorité des soudures dans les cellules prismatiques se situent entre les languettes de cathode/anode et chacun des collecteurs de courant, ainsi que dans la barre omnibus ou le boîtier lui-même. Des défaillances peuvent se produire à tous les emplacements et doivent être vérifiées pour la cohérence et la durabilité.
Les cellules à poche ont des languettes d'anode ou de cathode soudées ensemble ainsi que des languettes soudées à la borne de la cellule. De plus, les cellules à poche ont des soudures de barre omnibus qui doivent être testées. Un alignement approprié du dispositif et de l'éprouvette, ainsi qu'une solution polyvalente pour différentes tailles, sont importants.
Alors que de plus en plus de composants et de matériaux sont introduits dans l'industrie des batteries, il existe d'innombrables autres caractéristiques qui doivent être testées pour la qualité, la résistance, la sécurité et la longévité de chaque conception.
Le gonflement d'une batterie pendant la charge et la décharge est une caractéristique importante à tester. Certaines cellules sont connues pour avoir une expansion et une contraction minimales pendant le cyclage. Cependant, les cellules prismatiques et à poche sont connues pour présenter une expansion et une contraction importantes, qui doivent être caractérisées pour garantir l'utilisation appropriée et la sécurité de chaque cellule.
L'essai de compression d'empilement peut être utilisé pour reproduire au mieux les forces réelles et les abus mécaniques pendant la durée de vie d'une batterie.
La large gamme de plateaux de compression d'Instron, associée à un capteur de déplacement standard ou de haute précision, peut être utilisée pour caractériser complètement le comportement du matériau de mousse sous charge. Les utilisateurs peuvent effectuer des essais de compression statiques ou cycliques à l'aide d'un ensemble de plateaux de compression, disponibles en plusieurs tailles et formes, et acquérir simultanément des données de charge et de déplacement localisé pour tester les mousses et les gels utilisés dans les assemblages de cellules, modules, packs de batteries et appareils électroniques.
De plus, une plaque chauffante peut être ajoutée à l'enclume de compression inférieure pour contrôler la température de la surface de compression. Un contrôleur en boucle fermée est utilisé pour contrôler la température de la plaque et transmettre les relevés de température réels au logiciel d'essai.
Les utilisateurs d'Instron peuvent choisir entre des mâchoires manuelles et pneumatiques pour effectuer les essais de cisaillement par recouvrement importants nécessaires pour caractériser la résistance de liaison des adhésifs et des soudures utilisés dans les assemblages de packs et de modules. Des solutions automatisées spécialisées peuvent également être fournies pour aligner latéralement les mâchoires en fonction des informations sur l'éprouvette de cisaillement par recouvrement provenant d'un code-barres ou de dimensions mesurées.
Les matériaux, cellules, modules et packs peuvent tous se comporter différemment dans des conditions environnementales changeantes. Les chambres d'essai intégrées au bâti d'essai Instron permettent aux utilisateurs de tester leurs éprouvettes sous charge tout en surveillant et en contrôlant l'environnement de l'espace d'essai.
Systèmes d'essais universels
Les systèmes d'essais universels peuvent être équipés d'une large gamme d'accessoires pour effectuer des essais fondamentaux de résistance et de propriétés statiques. Ils sont idéaux pour les essais monotones à faible vitesse (1 - 600 mm/min).
Systèmes d'essais d'impact
Les systèmes de tour de chute sont utilisés pour appliquer et mesurer la charge d'impact à vitesse modérée à élevée (généralement perforation ou indentation ponctuelle). Les essais à impact unique sont contrôlés en termes de vitesse et d'énergie incidentes (1-24 m/s et jusqu'à 1 800 J).
Systèmes d'essais de fatigue
Utilisées pour les essais nécessitant une capacité de force faible à modérée, ces machines sont capables de charge de fatigue et cyclique jusqu'à 100 Hz (mouvements transitoires à plus de 1 m/s ou accélération de 40 G), mais peuvent également être déployées pour des essais statiques.
Systèmes d'essais à haute vitesse servohydrauliques
Ces systèmes d'essai hautement spécialisés peuvent tester à des vitesses allant jusqu'à 25 m/s à force élevée et sont couramment utilisés pour déterminer les propriétés des matériaux dans des conditions de collision. Ils peuvent également être utilisés pour les essais de perforation et d'écrasement.
Systèmes d'essais HDT Vicat
Ces machines d'essai sont utilisées pour caractériser le comportement des matériaux plastiques à hautes températures, en mesurant leur température de fléchissement sous charge (HDT) et leur température de ramollissement Vicat.
En savoir plus
Systèmes d'essais automatisés
Les équipements d'essai deviennent de plus en plus automatisés, allant des dispositifs de mesure automatique d'éprouvettes aux systèmes entièrement robotisés, aidant les laboratoires de l'industrie des batteries à gérer plus efficacement des volumes croissants d'essais.