Prefacio

Con la invención de nuevos materiales de electrodo y la reducción de los costos de fabricación, el almacenamiento de energía electroquímica se ha consolidado firmemente como fuente de energía para los vehículos eléctricos (VE). La seguridad del paquete de baterías requiere de la gestión térmica, el monitoreo de la salud y el diseño de protección contra choques externos para el paquete de baterías. Para comprender mejor cómo las baterías responden a las cargas mecánicas externas, las herramientas de simulación predictivas pueden ser mejoradas para ayudar a diseñar paquetes de baterías más avanzados y seguros y envases metálicos livianos.

En 2017, la "Journal of Power Sources" publicó un trabajo de investigación de la División de Ciencias y Ingeniería Computacionales del Laboratorio Nacional de Oak Ridge sobre la distribución de la deformación y los modos de fallo de los separadores poliméricos de baterías de iones de litio bajo carga biaxial.

Este artículo estudia la deformación tensional biaxial de los separadores poliméricos de baterías de iones de litio, utiliza la tecnología DIC para medir la deformación de los separadores in situ y utiliza el modelo de elementos finitos para discutir la consistencia entre los resultados de las pruebas y los resultados de los elementos finitos.

Dispositivo de Prueba: Célula de carga de 100 libras, la muestra circular se coloca entre las bridas de acero inoxidable 304L para evitar ser rasgada, las bridas se fijan con tuercas, las bolas de acero pulidas realizan la tensión biaxial, tres diámetros de bola son 1 pulgada, 2 pulgadas, 2.5 pulgadas, pulidas y rociadas con una capa anti-fricción, la bola de acero se apoya en la superficie cóncava del acoplador, el sistema no tiene conexión rígida para evitar la flexión y la torsión, la velocidad de la bola es 0.008 pulgadas/segundo.

Nivel Microestructural

Fig. 2. Microestructura del separador Celgard 2325: a) antes de la deformación, b) después de la deformación; Celgard 2075: c) antes de la deformación, d) modo de fallo después de la deformación.

El separador está compuesto por fibras longitudinales (MD) y láminas poliméricas transversales (TD) gruesas. La microestructura deformada se muestra en la Fig. 2b/2d: se produce la extensión laminar y las pequeñas grietas simultáneamente, se forman nuevas fibras por la elongación de las fibras y la posterior separación de las láminas, se producen el desgarro laminar y la extracción de fibras.

Los experimentos encontraron que debido a la acumulación de la deformación longitudinal, ambos materiales experimentarán la elongación longitudinal, especialmente Celgard 2325 es más obvio. Celgard 2325 puede mostrar grietas en la región acentuada cuando se deforma a deformaciones más altas y finalmente falla, mientras que Celgard 2075 no muestra marcas de elongación y falla sin acentuación. La Fig. 4 muestra que la zona translúcida de Celgard 2325 se desarrolló significativamente, probablemente debido al papel de soporte de la capa PE intermedia. Ambos diafragmas estudiados fallaron con grietas rectas a lo largo de la dirección longitudinal, Celgard 2325 tuvo una elongación longitudinal significativa y se "acentuó" resultando en una deformación inestable. La diferencia en el comportamiento de deformación y fallo de los dos diafragmas es que Celgard 2075 no tiene marcas de elongación, y Celgard 2325 puede tener una mayor deformación y grietas en la región acentuada. La Fig. 5 compara los campos de deformación de los dos diafragmas antes de la primera aparición de la diafragma translúcida en Celgard 2325. Los resultados muestran que las deformaciones principales críticas de los dos diafragmas son muy cercanas independientemente del tamaño de las esferas. Para el diafragma Celgard 2325, la deformación de acentuación es 0.34 ± 0.05, y la deformación de fallo es 0.79 ± 0.34; mientras que para el diafragma Celgard 2075, la deformación principal en el fallo es 0.43 ± 0.069.

Modo de fallo del diafragma longitudinal bajo el modo de deformación por carga biaxial: (a) Celgard 2325, esfera de 50.8 mm de diámetro; (b) Celgard 2075, esfera de 25.4 mm de diámetro

Concentración de deformación y formación de bandas tensionales transparentes en Celgard 2325 justo antes del fallo

Distribuciones de la deformación principal de (a, b) Celgard 2075 bajo carga biaxial; y (c, d) Celgard 2325

Modelo de Elementos Finitos

En este artículo, se utilizan los elementos de cáscara membranosa en LS Dyna para construir la malla de elementos finitos del diafragma con diferentes espesores (0.025mm para Celgard 2325 y 0.020mm para Celgard 2075). El radio del diafragma es 38mm y los nodos están restringidos en todas las direcciones a su alrededor. Se utilizaron tres esferas con diferentes radios en la simulación para representar las bolas de acero en la prueba. La curva fuerza-desplazamiento se muestra en la Fig. 7. Los resultados muestran que la deformación del diafragma está relacionada con el diámetro de la esfera. Dado que Celgard 2325 tiene un diafragma de tres capas con un espesor mayor, la fuerza generada por la deformación de Celgard 2325 es aproximadamente el doble de la que se genera al estirar Celgard 2075. La Fig. 8 muestra los diagramas de distribución de la deformación de dos diafragmas bajo la acción de indentadores de radio 12.7mm y 25.4mm. Cuando el indentador esférico se desplazó verticalmente 15 mm, la región de estiramiento transparente (cuello) en el diafragma apareció por primera vez, y el valor de la deformación predicho estaba cerca del valor de la deformación medido en este momento. Debido a las propiedades anisotrópicas del diafragma, las deformaciones principales en la figura muestran un perfil elíptico, y las posiciones de los máximos de la deformación dispuestas a lo largo de la dirección longitudinal están en buena concordancia con las observaciones experimentales.

Mallas del diafragma utilizadas en la deformación biaxial con esferas de diferentes radios

Curvas fuerza-desplazamiento experimentales y calculadas bajo la prueba biaxial: a) Celgard 2325; b) Celgard 2075

Deformación biaxial: (a, b) Distribución calculada de la primera deformación principal en Celgard 2075; (c, d) Celgard 2325

Resumen

El artículo realizó experimentos tensionales biaxial en dos tipos de diafragmas, Celgard 2325 y Celgard 2075, y encontró que el valor medido de la primera deformación principal en el punto crítico del fallo del diafragma estaba cerca de 0.34 (Celgard 2325) y 0.43 (Celgard 2075), independientemente del diámetro de la esfera de prueba. Los resultados de las simulaciones de elementos finitos utilizando las propiedades mecánicas anisotrópicas del diafragma como entrada al modelo muestran un buen acuerdo con la deformación crítica medida experimentalmente y la ubicación del máximo de la deformación en la que el diafragma finalmente falla.