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En un artículo publicado en Applied Materials & Interfaceslos investigadores determinaron la distribución de temperatura de una batería durante el proceso de descarga a temperaturas bajo cero, teniendo en cuenta la susceptibilidad del separador a las fluctuaciones de temperatura.
Estudio: Evolución de las propiedades mecánicas inducidas por el cambio de temperatura de los separadores de baterías de iones de litio mediante nanoindentación cíclica. Crédito de la foto: ktsdesign/Shutterstock.com
Había tres conjuntos de muestras del separador que experimentaron diferentes cambios de temperatura. La evidencia experimental de la disminución dependiente de la temperatura en la dureza del separador y el módulo de elasticidad fue proporcionada por la nanoindentación sensible a la profundidad de varios ciclos. Además, al extraer las respuestas de nanoindentación de las respuestas de carga y descarga multiciclo, se estudió la tendencia de las variaciones en el módulo elástico, la histéresis y la respuesta de endurecimiento de las muestras del separador con respecto a la temperatura.
Las fluctuaciones dependientes de la temperatura en el módulo de elasticidad del separador se investigaron monitoreando los procesos de templado, calentamiento y enfriamiento. En contraste, las pruebas de nanoindentación confirmaron que cuando la operación termostática siguió al calentamiento o enfriamiento, la influencia de las fluctuaciones de temperatura en la dureza mostró una tendencia a debilitarse. Los efectos de tamaño típicos que dependen de la profundidad de la nanoindentación también se mostraron en el análisis de la variación en la dureza de la nanoindentación en función de los cambios de temperatura.
Se utilizaron espectroscopia de rayos X de dispersión de energía y difracción de rayos X para caracterizar la distribución elemental y la tensión residual inducida por la temperatura, respectivamente. La regla de evolución determinada de las propiedades mecánicas de un separador inducidas por el cambio de temperatura facilitó el diseño óptimo de los separadores y proporcionó los datos necesarios para mejorar la eficiencia de seguridad de una batería de iones de litio.
Comprender la estructura de una batería de iones de litio
Una batería de iones de litio (LIB), la opción preferida para la mayoría de las baterías de vehículos eléctricos, tiene varias ventajas notables, que incluyen (i) alta densidad de energía, (ii) larga vida útil, (iii) baja tasa de autodescarga, (iv) una alta tasa de conversión de energía (96%) y (v) la falta de un efecto de memoria. Además, la batería de iones de litio disponible comercialmente es sensible a los efectos de acoplamiento, incluidos los campos físicos, multimecánicos y térmicos, en condiciones de funcionamiento reales.
Sin embargo, el uso de la batería de iones de litio en entornos que dependen de la temperatura está limitado por su rendimiento reducido y su mecanismo de microfallas a temperaturas altas y bajas. El perfil de seguridad de una batería de iones de litio se ve degradado por la falla del cortocircuito interno causado por el abuso mecánico, eléctrico y térmico.
Además, el control térmico y la detección temprana de fallas de una batería de iones de litio se ven obstaculizados por la ambigüedad y la incertidumbre de un cortocircuito interno. Como tal, una batería de iones de litio es propensa a problemas significativos de degradación del rendimiento, incluidos ciclos deficientes limitados, capacidad, precipitación de litio, rendimiento de velocidad e intercalación de litio desequilibrada, especialmente en entornos fríos.
El cortocircuito interno causado por las dendritas de litio, la rápida disminución de la conductividad, la disminución de la actividad del movimiento y la velocidad del electrolito son signos de que el rendimiento del separador de batería de iones de litio se está deteriorando. La seguridad de una batería de iones de litio se ve significativamente afectada por la imprevisibilidad de las variaciones relacionadas con la temperatura en las propiedades mecánicas del separador, lo que afecta tanto al mejor diseño posible del separador como a la vida útil de una batería de iones de litio.
Los separadores pueden verse afectados por los cambios en la temperatura ambiente o la generación de calor en las baterías durante las condiciones de funcionamiento reales. Dichos efectos pueden degradar el rendimiento de la batería y causar fugas térmicas imprevistas. Se han realizado numerosos estudios para modificar u optimizar la proporción del componente solvente y el electrolito, integrados en la caracterización microestructural y síntesis de electrodos y sus materiales, para reducir las limitaciones de aplicación. Estos estudios también mostraron una extensión del rango de temperatura de funcionamiento de una batería de iones de litio.
Mediante el uso del sistema de carga y descarga de la batería y la detección de temperatura infrarroja, el cambio de temperatura del separador podría monitorearse bajo diferentes condiciones de carga o descarga. El método de nanoindentación con detección de profundidad es eficaz para medir directamente las propiedades micromecánicas del separador. Esta prueba de nanoindentación de los separadores puede evaluar con precisión los diferentes niveles de abuso mecánico de los microdominios por diferentes modos de carga cíclica o de profundidad.
En el presente trabajo, se aplicaron tres variaciones de temperatura a los separadores. Se aplicaron cinco ciclos de tensiones de nanoindentación graduadas a las tres muestras de separador diferentes para lograr las respuestas de profundidad de tensión. Se encontró que los cambios de temperatura cambiaron el módulo elástico, la histéresis y la respuesta de endurecimiento de los separadores en diversos grados.
Posteriormente se estudió la evolución del rendimiento del separador como consecuencia de los cambios de temperatura mediante diversas técnicas de caracterización composicional y cristalográfica. Por lo tanto, los resultados experimentales ayudaron a aclarar cómo los cambios de temperatura afectaron el rendimiento del separador, lo que ayudó a mejorar las propiedades de acoplamiento mecánico-térmico del separador.
Investigaciones de prueba de concepto
Se utilizaron células cilíndricas NCR-18650B para la prueba de nanoindentación. Usando un ciclador Power Focus BTC3100, las celdas se ciclaron usando una carga de voltaje constante de corriente constante (CCCV) y una configuración de descarga de corriente constante (CC). La operación cíclica se llevó a cabo en una incubadora de temperatura controlada a 26,4 grados centígrados.
Para la temperatura ambiente se tomaron en cuenta las fluctuaciones de temperatura de 0, -40 y 40 grados centígrados; Las temperaturas iniciales fueron -20, 20 y 60 grados centígrados, respectivamente. La temperatura de los separadores se cambió en tres pasos. Primero, los separadores se calentaron de -20 a 20 grados Celsius, luego se operaron isotérmicamente y se enfriaron de 60 a 20 grados Celsius. Luego, las muestras del separador se sometieron a múltiples ciclos de estrés incremental utilizando la técnica de nanoindentación. Finalmente, se construyeron las curvas de respuesta carga-profundidad para estudiar las diferentes variaciones en el módulo de elasticidad y dureza superficial de los separadores.
Las investigaciones sobre la nanoindentación de tres muestras de separadores diferentes se llevaron a cabo utilizando un nanoindentador comercialmente disponible con un indentador Berkovich. Estos estudios de nanoindentación se realizaron para cada muestra del separador utilizando matrices de puntos de tres por tres con puntos separados por 20 micrones.
Se generaron quince conjuntos de cinco curvas de respuesta de nanoindentación de profundidad de tensión cíclica de las muestras del separador utilizando tres variaciones de temperatura y cinco profundidades de nanoindentación. Durante los procesos continuos de carga y descarga, cada curva de respuesta a la nanoindentación mostró una periodicidad caracterizada por cargas máximas únicas con diferentes coordenadas. Los resultados mostraron que la profundidad de la nanoindentación se asoció positivamente con la disminución o el aumento gradual de la tensión en las curvas de respuesta a diferentes cambios de temperatura.
De acuerdo con los resultados experimentales de 15 conjuntos de cinco ciclos de nanoindentación cíclica, la media de la profundidad máxima de nanoindentación de los separadores fue de 1655,54, 1933,18 y 1861,26 nanómetros, respectivamente, que correspondieron a variaciones de temperatura de 0, -40 y 40 grados Celsius. .
El fenómeno mostró que los cambios de temperatura durante los procesos de enfriamiento y calentamiento aumentaron la plasticidad de los separadores y afectaron su capacidad para resistir la deformación plástica. Además, el tamaño de la película del separador parecía depender de la profundidad de la nanoindentación, como lo demuestra el módulo elástico que disminuye gradualmente con el aumento de la carga de la nanoindentación.
importancia del estudio
El estudio actual investigó la evolución de las propiedades mecánicas de un separador de batería de iones de litio cuando se somete a nanoindentación multiciclo sensible a la profundidad en un entorno de temperatura variable. Se aplicaron cambios de temperatura de 40, 0 y -40 grados Celsius a las muestras del separador tomadas de las celdas cilíndricas NCR-18650B. Se han descrito los tres aspectos de las observaciones.
Los resultados mostraron que los procesos de termostatización, calentamiento y enfriamiento afectaron los cambios de temperatura en el módulo elástico del separador. Las pruebas de penetración también confirmaron que cuando un proceso termostático fue seguido por enfriamiento o calentamiento, el efecto de los cambios de temperatura sobre la dureza mostró una tendencia decreciente. La dureza de nanoindentación también mostró la influencia de la profundidad de nanoindentación con diferentes variaciones de temperatura.
Se investigaron experimentalmente los efectos de las fluctuaciones inducidas por la temperatura en las propiedades mecánicas del separador, que son esenciales para el funcionamiento seguro de una batería de iones de litio.
Según los resultados de las pruebas, los cambios de temperatura provocaron un deterioro de las propiedades mecánicas de los separadores. Se descubrió que cuando el separador se extruía a través de las partículas activas o el revestimiento de litio dentro de la batería, era más probable que el separador indujera deformaciones mecánicas, lo que provocaba la ruptura de las dendritas y una posible falla interna por cortocircuito. Los resultados de esta investigación podrían ayudar a determinar el mejor diseño de separador para aumentar la seguridad de una batería de iones de litio.
Relación
Wang, S. y otros. (2022). Cambio de temperatura inducido por la evolución de las propiedades mecánicas de los separadores de baterías de iones de litio mediante nanoindentación cíclica. Interfaces y materiales aplicados de ACS. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c11680
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