Soluções de Ensaios de Baterias
Soluções para Células, Módulos e Packs de Baterias
À medida que a demanda por baterias avançadas continua a crescer em veículos elétricos, eletrônicos de consumo, armazenamento de energia e aplicações industriais, os fabricantes de baterias enfrentam exigências crescentes de segurança, desempenho, confiabilidade e eficiência de produção. A Instron fornece soluções de ensaios para materiais de bateria, componentes, células, módulos, packs e dispositivos acabados. Nossos sistemas suportam aplicações que variam de eletrônicos de consumo e dispositivos vestíveis a veículos elétricos e armazenamento de energia estacionário.
Como líder global na indústria de ensaios de materiais, a Instron está posicionada de forma única para atender às necessidades dos laboratórios de ensaios de baterias em todo o mundo com suporte local que pode responder rapidamente e no idioma local, fornecendo nosso conjunto completo de serviços, incluindo instalação, calibração, treinamento, atualizações de máquinas no local e quaisquer necessidades de serviço ao longo do caminho para minimizar o tempo de inatividade.
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As baterias são compostas por uma variedade de materiais, adesivos, soldas e estruturas de componentes que exigem ensaios minuciosos. Além de nossa ampla oferta de garras e dispositivos padrão para ensaios de baterias, a Instron desenvolveu dispositivos personalizados projetados especificamente para melhorar a eficiência e a repetibilidade dos ensaios de materiais e componentes de baterias. Nosso Engineered Solutions Group pode acomodar retornos rápidos em projetos de dispositivos de bateria para atender a necessidades específicas.
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Os filmes separadores são uma parte crítica das baterias de íons de lítio, bem como de outras baterias de eletrólito líquido. Os polímeros usados para esses filmes devem ser fortes o suficiente para suportar a operação de enrolamento durante a montagem, bem como a deposição de lítio no ânodo de maneira irregular devido ao uso extensivo. Um material separador mais seguro e forte evita de forma mais eficaz o contato entre o ânodo e o cátodo, enquanto um material mais fino ajuda a reduzir o peso de cada bateria e a melhorar a densidade de energia.
O ensaio de perfuração do filme separador é crítico para garantir a segurança e a longevidade de cada célula ao longo do ciclo de vida de uma bateria. O filme deve ser forte o suficiente para suportar perfurações de dendritos que se formam com o uso extensivo. Garantir a tensão adequada do corpo de prova e o alinhamento de uma sonda superior são críticos para esta aplicação. O ensaio é semelhante à EN 14477 e ASTM F1306.
Dispositivos de perfuração manuais e pneumáticos estão disponíveis para atender à EN 14477, ASTM F1306 e outras. Dispositivos pneumáticos garantem forças de fixação repetíveis e maior produtividade. A integração em um sistema existente é tão simples quanto instalar uma garra pneumática.
O ensaio de tração é usado para garantir que o filme separador possa suportar todas as operações mecânicas durante a fabricação e a vida útil da bateria. Garantir o alinhamento adequado do corpo de prova, a inserção e a operação da garra são necessários para a melhor repetibilidade e produtividade, bem como para evitar possíveis danos a um corpo de prova antes do ensaio. Recomendamos o uso do Carregador de Corpos de Prova de Precisão para reduzir a variabilidade nos resultados dos ensaios, melhorando a ergonomia e a segurança. O ensaio é semelhante à ASTM D882 e ISO 527-3.
O enrolamento apertado cria cargas mecânicas entre o filme separador e o revestimento do eletrodo, e é importante entender o coeficiente de fricção entre as duas superfícies. Uma melhor compreensão do coeficiente de fricção pode garantir que processos de enrolamento adequados ocorram na produção. É comum usar a ISO 8295 e a ASTM D1894-14 como orientação para este ensaio.
A seleção do material para o filme separador é essencial para a integridade da bateria, pois quaisquer problemas de desempenho mecânico podem aumentar o potencial de curtos-circuitos internos, o que pode levar à fuga térmica. Testar a resistência à perfuração em um evento de impacto é crucial para selecionar o material com o melhor desempenho, com o objetivo adicional de reduzir a espessura e o peso.
Sistemas de automação da Instron introduzem um novo nível de produtividade para ensaios de baterias. À medida que os volumes de produção de baterias continuam a aumentar, a produtividade e a eficiência são críticas para acompanhar a demanda. A utilização de um sistema de automação com o equipamento recomendado para cada aplicação pode liberar os operadores e maximizar a produtividade, mantendo resultados ideais.
Um dos modos de falha mais comuns em baterias ocorre quando o revestimento do material do eletrodo racha ou delamina do coletor de corrente. Essa rachadura ou delaminação é normalmente causada pelo carregamento e descarregamento constante de uma bateria, bem como pela carga mecânica quando em uso. É crítico entender a força de adesão do eletrodo e a longevidade para garantir que uma bateria não falhe antes do final de seu ciclo de vida previsto.
O ensaio de descolamento a 180° é um método comumente usado para determinar a força de adesão dos eletrodos ao coletor de corrente. Com a vantagem mecânica da configuração de descolamento e a facilidade de alinhamento, este ensaio pode ser feito usando garras e células de carga de baixa força. É melhor considerar garras pneumáticas e o uso de um substrato metálico para garantir alta produtividade e um descolamento adequado a 180° em cada ensaio.
O ensaio de descolamento a 90° é outro método comum para testar a adesão do eletrodo em baterias. O ensaio de descolamento a 90° geralmente envolve cargas ligeiramente mais altas do que o ensaio a 180° e pode ser configurado mais rapidamente porque muitas vezes não requer um substrato. As soluções mais comuns da Instron para este ensaio são um dispositivo de descolamento a 90° padrão ou um dispositivo de descolamento pneumático projetado especificamente para testar a adesão de eletrodos. O dispositivo de descolamento pneumático a 90° fornece repetibilidade e produtividade aprimoradas, ao mesmo tempo que auxilia o operador no posicionamento e alinhamento consistentes do corpo de prova a 90°. Para o dispositivo superior, uma garra pneumática otimiza a produtividade e a repetibilidade e é recomendada para ensaios de materiais delicados.
Os ensaios de tack têm sido apoiados por pesquisadores como uma forma adicional de testar a adesão de eletrodos ao coletor de corrente em baterias. Em vez de descolar lentamente os eletrodos do coletor de corrente, um ensaio de tack foca na força de adesão de toda uma área predeterminada de eletrodos. Uma coleta de dados de taxa muito rápida combinada com os dispositivos de ensaio de tack da Instron garantem os melhores resultados e produtividade possíveis.
Folhas de alumínio e cobre são usadas como coletores de corrente em baterias e são tradicionalmente necessárias em grandes volumes. À medida que a indústria se esforça para usar quantidades mínimas de material para alcançar a densidade de energia ideal de cada bateria, é crítico entender as propriedades mecânicas de cada folha para garantir a segurança e a longevidade da bateria. À medida que a folha se torna mais longa, mais fina e mais larga, é necessária tecnologia aprimorada para lidar com o enrugamento e o rasgo que podem surgir. Validar e manter as propriedades mecânicas deste material é crítico para otimizar a produção de baterias.
Um ensaio de tração padrão é a maneira mais apropriada de determinar as propriedades mecânicas de corpos de prova de folhas de alumínio e cobre. Garras pneumáticas de ação lateral oferecem pressão constante com produtividade rápida para esses materiais de alto volume, e o alinhamento adequado do corpo de prova é crítico para a repetibilidade e proteção do corpo de prova antes do ensaio, pois folhas finas podem ser afetadas por pequenos desalinhamentos dentro das garras. Recomendamos o uso do Carregador de Corpos de Prova de Precisão para reduzir a variabilidade nos resultados dos ensaios, melhorando a ergonomia e a segurança. É comum usar a ASTM E345-16 como orientação para este ensaio.
À medida que os volumes de produção de baterias continuam a aumentar e o material se torna mais fino, a produtividade e a eficiência são críticas para acompanhar a demanda. A utilização de um sistema de automação com o equipamento recomendado pode acompanhar a demanda por corpos de prova de folhas mais finos, largos e longos, bem como liberar os operadores e maximizar a produtividade, mantendo resultados ideais.
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Baterias de íons de lítio e outras baterias de eletrólito líquido exigem inúmeras soldas entre eletrodos, abas (tabs), invólucros e células. Entender os modos de falha mais comuns e a resistência de cada solda é crítico para determinar a vida útil de uma bateria. Cada solda deve suportar a carga mecânica que vem com o fato de estar dentro de um veículo ou dispositivo, o que pode desgastar a solda ao longo do tempo. Produtos alimentados por bateria são expostos a vibrações, manuseio, transporte e cargas operacionais que devem ser consideradas no projeto da solda e na validação da qualidade.
As células cilíndricas exigem várias soldas durante a montagem, incluindo a aba do cátodo na tampa da célula, a aba do ânodo na base da lata e até mesmo as soldas individuais de aba para aba. Todas elas exigem soluções adequadas de alinhamento e fixação para alta produtividade e resultados repetíveis.
A maioria das soldas em células prismáticas ocorre entre as abas do cátodo/ânodo para cada um dos coletores de corrente, bem como dentro do busbar ou da própria lata. Falhas podem ocorrer em todos os locais e devem ser verificadas quanto à consistência e durabilidade.
As pouch cells têm abas de ânodo ou cátodo soldadas entre si, bem como abas soldadas ao terminal da célula. Além disso, as pouch cells têm soldagem de busbar que precisa ser testada. O alinhamento adequado do dispositivo e do corpo de prova, juntamente com uma solução versátil para diferentes tamanhos, são importantes.
À medida que mais e mais componentes e materiais são introduzidos na indústria de baterias, há inúmeras outras características que precisam ser testadas para a qualidade, resistência, segurança e longevidade de cada projeto.
O inchamento de uma bateria durante o carregamento e descarregamento é uma característica importante a ser testada. Algumas células são conhecidas por terem expansão e contração mínimas durante o ciclagem. No entanto, células prismáticas e pouch cells são conhecidas por exibir expansão e contração significativas, que devem ser caracterizadas para garantir o uso adequado e a segurança de cada célula.
O ensaio de compressão de pilha pode ser usado para replicar melhor as forças do mundo real e o abuso mecânico durante a vida útil de uma bateria.
A ampla gama de pratos de compressão da Instron, juntamente com um sensor de deslocamento padrão ou de alta precisão, pode ser usada para caracterizar totalmente o comportamento do material de espuma sob carga. Os usuários podem realizar ensaios de compressão estáticos ou cíclicos usando um conjunto de pratos de compressão, disponíveis em vários tamanhos e formas, e adquirir de forma síncrona dados de carga e deslocamento localizado para testar espumas e géis usados em montagens de células, módulos, packs e dispositivos eletrônicos de bateria.
Além disso, uma placa de aquecimento pode ser adicionada à bigorna de compressão inferior para controlar a temperatura da superfície de compressão. Um controlador de malha fechada é usado para controlar a temperatura da placa e enviar as leituras reais de temperatura para o software de ensaio.
Os usuários da Instron podem escolher entre garras manuais e pneumáticas para realizar os importantes ensaios de cisalhamento de sobreposição necessários para caracterizar a força de adesão de adesivos e soldas usados em montagens de packs e módulos. Soluções especializadas e automatizadas também podem ser fornecidas para alinhar as garras lateralmente com base nas informações do corpo de prova de cisalhamento de sobreposição de um código de barras ou dimensões medidas.
Materiais, células, módulos e packs podem ter desempenhos diferentes em condições ambientais variáveis. Câmaras de ensaio integradas à estrutura de ensaio da Instron permitem que os usuários testem seus corpos de prova sob carga enquanto monitoram e controlam o ambiente do espaço de ensaio.
Sistemas de Ensaios Universais
Sistemas de ensaios universais podem ser equipados com uma ampla gama de acessórios para realizar ensaios fundamentais de resistência e propriedades estáticas. Estes são ideais para ensaios monotônicos em baixa velocidade (1 - 600 mm/min).
Sistemas de Ensaios de Impacto
Sistemas de Torre de Queda são usados para aplicar e medir a carga de impacto em velocidade moderada a alta (normalmente perfuração ou indentação pontual). Os ensaios de golpe único são controlados em termos de velocidade incidente e energia (1-24 m/s e até 1800 J).
Sistemas de Ensaios de Fadiga
Usadas para ensaios que exigem capacidade de força baixa a moderada, essas máquinas são capazes de fadiga e carga cíclica em até 100 Hz (movimentos transitórios a mais de 1 m/s ou aceleração de 40 G), mas também podem ser implantadas para ensaios estáticos.
Sistemas de Ensaios de Alta Taxa Servohidráulicos
Estes sistemas de ensaios altamente especializados podem testar em velocidades de até 25 m/s em alta força e são comumente usados para determinar as propriedades de materiais em condições de colisão. Eles também podem ser usados para ensaios de perfuração e esmagamento.
Sistemas de Ensaios
HDT Vicat
Estas máquinas de ensaios são usadas para caracterizar o comportamento de materiais plásticos em altas temperaturas, medindo sua temperatura de deflexão térmica (HDT) e temperatura de amolecimento Vicat.
Saiba Mais
Sistemas de Ensaios
Automatizados
O equipamento de ensaio está se tornando cada vez mais automatizado, variando de dispositivos automáticos de medição de corpos de prova a sistemas totalmente robóticos, ajudando laboratórios em toda a indústria de baterias a lidar com volumes crescentes de ensaios de forma mais eficiente.