Thermisch beheer is van essentieel belang voor de werking en levensduur van Li-ion cellen en -batterijen, vooral wanneer het gaat om grotere systemen zoals batterijpacks. De belangrijkste thermische eigenschappen die van invloed zijn op de prestaties van Li-ion cellen zijn de thermische geleidbaarheid en de warmtecapaciteit. De thermische geleidbaarheid bepaalt de snelheid waarmee warmte door het materiaal wordt overgedragen, terwijl de warmtecapaciteit aangeeft hoeveel warmte een materiaal kan opslaan. In de literatuur zijn veel metingen van deze eigenschappen voor verschillende Li-ion cellen te vinden, die een fundamenteel inzicht bieden in het thermisch gedrag van de cellen. Bij de modellering van thermische geleiding in grotere systemen wordt vaak gebruik gemaakt van een weerstand-capaciteit netwerk, waarbij de waarden van de verschillende resistenties en capaciteiten worden afgeleid uit de thermische eigenschappen van de cellen en andere materialen in het batterijpack.

Thermisch beheer houdt in dat er mechanismen worden gecreëerd die voldoende warmte kunnen afvoeren om de temperatuur van de cellen onder een veilige drempel te houden. Dit is cruciaal om oververhitting te voorkomen, wat kan leiden tot schade of zelfs gevaarlijke situaties. Bovendien omvat thermisch beheer ook mechanismen om de cellen snel op te warmen in koude omgevingen, bijvoorbeeld wanneer een elektrische auto in een koud klimaat wordt gestart. Beide aspecten zijn van groot belang voor het functioneren van de batterij, en geïntegreerde thermische beheersystemen zijn steeds relevanter.

Een belangrijk doel van thermisch beheer is om de temperatuur van de Li-ion cel binnen een gewenst bereik te houden. Als de temperatuur van de cel te hoog of te laag wordt, kan dit de prestaties beïnvloeden en leiden tot versnelde veroudering van de cel, wat op lange termijn de levensduur van de batterij verkort. Daarnaast is het belangrijk om de temperatuur binnen de cel zelf uniform te houden. Een thermisch onevenwichtige cel met een groot temperatuurverschil tussen verschillende delen van de cel kan leiden tot versnelde veroudering en andere ongewenste elektrochemische effecten. Dit is vooral van belang voor toepassingen zoals elektrische voertuigen en andere systemen waarbij de betrouwbaarheid van de batterij cruciaal is.

Er zijn verschillende manieren om warmte uit een Li-ion cel te verwijderen. De eenvoudigste methode is via natuurlijke convectie. Wanneer de cel opwarmt, warmt de lucht eromheen op en stijgt op door de verminderde dichtheid bij hogere temperaturen. Koudere lucht vervangt de opgestegen warme lucht, waardoor warmte wordt verwijderd uit de cel. Dit proces wordt echter meestal gedreven door de zwaartekracht en is dus afhankelijk van de oriëntatie van de cel. Vrije convectie is vaak een zwakke methode van warmteafvoer en is misschien niet voldoende om de benodigde hoeveelheid warmte af te voeren, vooral bij hoge ontlaadsnelheden.

Forceren van convectie, bijvoorbeeld door een externe lucht- of vloeistofstroom, resulteert in een veel effectievere warmteoverdracht. Een recentere techniek die veel belangstelling heeft gekregen, is onderdompelingkoeling, waarbij de cel wordt ondergedompeld in een circulerende vloeistof die als koelmiddel fungeert. Dit kan zeer effectieve koeling bieden, maar het gebruikte koelmiddel moet elektrisch isolerend zijn om de elektrische functie van de cel niet te verstoren. Er moeten ook andere factoren in overweging worden genomen, zoals de invloed van onderdompelingkoeling op de veroudering van de cel.

Meer geavanceerde thermische beheermethoden omvatten twee-fasenkoeling, waarbij de warmte die uit de cel wordt verwijderd wordt gebruikt om een faseovergang te veroorzaken, bijvoorbeeld van vast naar vloeibaar (smelten) of van vloeibaar naar gas (verdamping). De grote latente warmte die gepaard gaat met faseovergangen maakt het mogelijk om aanzienlijke hoeveelheden warmte af te voeren, maar er zijn ook uitdagingen, zoals een verminderd warmteflux door verdroging en de grote volumevergroting door de vorming van damp.

Een andere benadering van thermisch beheer is het gebruik van warmtebuizen. Dit zijn apparaten die een werkvloeistof bevatten die verdampt bij het toevoegen van warmte, de warmte naar een andere locatie binnen een gesloten systeem transporteert en vervolgens weer condenseert, zodat het proces zich in een lus blijft herhalen. Warmtebuizen kunnen een aanzienlijke hoeveelheid warmte verwijderen, vooral wanneer ze direct in de cel worden ingebracht. Een voordeel van warmtebuizen is de passieve aard van het thermisch beheer, wat betekent dat ze geen externe energiebron nodig hebben om effectief te functioneren.

Thermo-elektrische apparaten worden ook gebruikt voor thermisch beheer van Li-ion cellen. Afhankelijk van de richting van de elektrische stroom kan een thermo-elektrisch apparaat worden gebruikt om ofwel koeling of verwarming te produceren. Hoewel thermoelectrische apparaten relatief veel energie verbruiken, kunnen ze geschikt zijn voor dubbeldoel-thermisch beheer, bijvoorbeeld wanneer zowel verwarming als koeling nodig is in verschillende omstandigheden.

Wanneer het gaat om verwarming van Li-ion cellen in een koude omgeving, kan gebruik worden gemaakt van externe warmtebronnen. Dit kan echter leiden tot aanzienlijke temperatuurgradiënten, waarbij de buitenkant van de cel snel opwarmt, maar de kern van de cel nog steeds koud blijft. Om dergelijke thermische onevenwichtigheden te voorkomen en het verwarmingsproces te versnellen, worden ingebedde dunne-film metalen verwarmers gebruikt. Deze verwarmingselementen kunnen een deel van de opgeslagen elektrische energie in de cel gebruiken om snel op te warmen.

De keuze voor een geschikt thermisch beheersysteem hangt af van de specifieke eisen van de toepassing en de omgeving waarin de batterij zich bevindt. Het is belangrijk om te begrijpen dat thermisch beheer niet alleen betrekking heeft op het handhaven van een acceptabele temperatuur, maar ook op het waarborgen van thermische uniformiteit binnen de cel en het verminderen van verouderingseffecten door overmatige temperatuurverschillen.

Hoe electrochemische impedantiespectroscopie (EIS) wordt gebruikt voor het modelleren van lithium-ionbatterijen

Electrochemische impedantiespectroscopie (EIS) biedt waardevolle inzichten in de dynamiek van elektrochemische systemen, vooral bij het karakteriseren van lithium-ionbatterijen. EIS maakt gebruik van verschillende grafieken, zoals Nyquist-, Bode- en DRT-grafieken, om gedragspatronen van het systeem te visualiseren. Deze technieken helpen bij het benadrukken van specifieke eigenschappen zoals diffusie, kinetisch gedrag en de fasehoek. Elke grafiek heeft een unieke manier om specifieke kenmerken van een systeem te analyseren, wat essentieel is voor het bouwen van een betrouwbaar model voor batterijsystemen.

In de Nyquist-grafiek, bijvoorbeeld, kunnen we zien dat de rechte lijn en de boog boven de werkelijke as meestal verband houden met een capacitatief gedrag. Een ideale capacitantie gedraagt zich als een rechte lijn met een hoek van 90°, terwijl een R//C-circuit zich als een halve cirkel gedraagt. Wanneer de capacitantie verandert in een constante fase-element (CPE), vermindert de hoek van de rechte lijn tot minder dan 90° en wordt de halve cirkel depressief. Dit wijst op de veranderingen in de elektrochemische processen binnen de batterij, zoals ionenbeweging en dubbele-laag oplading/-ontlading in de poriën van de elektrode. De parabool in het laagfrequente bereik kan bijvoorbeeld de ionische diffusie aangeven. De lus onder de werkelijke as op lage frequentie, die inductief gedrag vertoont, kan wijzen op een adsorptieproces.

In de Bode-grafiek is de moduluscurve het meest informatief bij het bepalen van de weerstand van het systeem. De laagfrequente limiet geeft de DC-weerstand aan, terwijl de hoogfrequente limiet de laagste AC-weerstand aangeeft. De fasehoek benadert meestal 0° bij hoge frequenties vanwege de ohmse weerstand van de elektrolyt. Wanneer de ohmse weerstand gecorrigeerd wordt, kan de fasehoek asymptotisch benaderen naar −90° bij een ideaal polariseerbare elektrode. Als er CPE-gedrag is, nadert de asymptotische waarde bij hoge frequenties −(90·n)°, waarbij de CPE-indexwaarde n bepaalt of het systeem zich meer gedraagt als een pure capaciteit, een weerstand of een inductief element. De pieken in de Bode-grafiek geven ook de verschillende processen aan die de impedantie beïnvloeden, waarbij het aantal pieken het aantal R//C-processen aanduidt.

De DRT-methode is een krachtig hulpmiddel voor het omzetten van impedantiegegevens van het frequentiedomein naar het tijdsdomein. Dit biedt een gedetailleerder inzicht in de karakteristieke tijdconstanten van het systeem. De pieken in de DRT-grafiek geven het aantal fysieke processen aan, en de positie, hoogte, breedte en oppervlakte van deze pieken bieden aanvullende informatie over de aard en sterkte van de processen binnen de batterij. Bijvoorbeeld, de hoogte van een piek kan de sterkte van de polarisatie aangeven, terwijl de breedte van de piek duidt op de standaarddeviatie van het proces.

Het is echter niet voldoende om slechts een grafische weergave van de impedantie te hebben. Voor een succesvolle analyse moeten we modellen construeren die de gegevens kunnen verklaren. Dit gebeurt vaak door modellen te selecteren uit een bibliotheek van veelgebruikte equivalentelijstmodellen (EEC), die specifiek zijn voor verschillende elektrochemische processen. Deze modellen moeten worden geëvalueerd op hun vermogen om de gemeten impedantiespectrum goed te representeren. Het gebruik van complexe niet-lineaire regressie, bijvoorbeeld via programma’s zoals ZView of ZSimpWin, helpt bij het optimaliseren van de parameters van deze modellen. Dit biedt de mogelijkheid om de belangrijkste en secundaire kenmerken van het systeem te begrijpen.

Bij het ontwikkelen van een geschikt model voor de testobjecten wordt vaak de fysieke opbouw van het systeem in overweging genomen. Dit zorgt ervoor dat de keuze van het model de verwachte elektrochemische processen goed weerspiegelt. Wanneer de geëvalueerde modellen echter geen rekening houden met bepaalde onverwachte kenmerken, kan het nodig zijn om nieuwe modellen te ontwikkelen die zich richten op de specifieke fysica van het systeem.

Verder, hoewel de keuze van een EEC-model doorgaans gebaseerd is op experimentele observaties, is het cruciaal om na te denken over de onderliggende fysische principes. Bij batterijsystemen kunnen bijvoorbeeld de kenmerken van de elektroden, de elektrolyt, en de ionenbeweging een significante impact hebben op het gedrag van de impedantie. Het ontwikkelen van nieuwe modellen die deze factoren in overweging nemen, kan leiden tot een beter begrip van de prestaties van lithium-ionbatterijen, vooral in de context van lange termijn prestaties en veiligheid.

Hoe interacteert neutronen met materie?

Neutronen, als onbeladen deeltjes, gedragen zich op een unieke manier bij interactie met verschillende materiële structuren, wat belangrijke implicaties heeft voor wetenschappelijke analyses en industriële toepassingen. Deze interacties zijn van fundamenteel belang voor het begrijpen van structuren op atomair niveau, bijvoorbeeld in materialenonderzoek, nucleaire technologie en de ontwikkeling van batterijen.

Neutroneninteracties kunnen grofweg worden onderverdeeld in drie primaire processen: absorptie, verstrooiing en transmissie. Absorptie vindt plaats wanneer een neutron wordt geabsorbeerd door een kern, waarbij de energie van het neutron wordt overgedragen aan de materie, wat kan leiden tot nucleaire reacties. De verstrooiing van neutronen kan coherente of incoherente vormen aannemen, afhankelijk van de manier waarop het neutron interactie heeft met de atomen in de materie. Coherente verstrooiing, waarbij de golffuncties van het neutron en de atomen in fase zijn, wordt vaak gebruikt om de kristalstructuur van materialen te onderzoeken. Incoherente verstrooiing, daarentegen, biedt informatie over de dynamiek van de atomaire bewegingen binnen het materiaal.

Verder speelt de productie van deeltjes, zoals bij pairproductie, een belangrijke rol bij de interacties van neutronen met materie, vooral in energie- en wetenschappelijke toepassingen. Neutronen kunnen ook betrokken raken bij onelastische verstrooiing, waarbij de energie van het neutron verandert door interactie met de materie. Dit fenomeen is essentieel voor het onderzoeken van de vibraties van atomaire netwerken en de dynamiek van materialen.

De invloed van neutronen op materiaaleigenschappen kan verder worden geanalyseerd door middel van technieken zoals neutronenreflectometrie (NR) en neutronenradiografie (NRg), die beide gedetailleerde informatie verschaffen over de oppervlakken en inwendige structuren van materialen. Neutronen worden bovendien gebruikt in combinaties met andere technieken, zoals röntgendiffractie en scanning elektronenmicroscopie (SEM), om diepgaandere inzichten te verkrijgen in de fysische en chemische eigenschappen van materialen.

Voor bijvoorbeeld batterijen, en specifiek voor lithium-ion batterijen, kunnen neutronen door de elektrolyt en anode heen dringen om de interacties van de lithium-ionen te bestuderen zonder de integriteit van de cellen te verstoren. Dit biedt wetenschappers de mogelijkheid om materialen te analyseren in operando omstandigheden, waarbij real-time observaties van de werking van batterijen mogelijk zijn, wat de ontwikkeling van efficiëntere batterijen kan versnellen.

Het begrip van neutroneninteracties is ook essentieel voor het ontwerp van volgende generatie batterijen, zoals natrium-ion batterijen (SIB), waar neutronenstudies cruciaal zijn om de efficiëntie en stabiliteit van elektrolyten en anoden te verbeteren. De interacties van neutronen met de deeltjes in het materiaal kunnen tevens helpen bij het identificeren van defecten of onvolkomenheden in de kristalstructuur van elektroden, wat het batterijontwerp ten goede kan komen.

Wat daarnaast van groot belang is, is de mechanische analyse van elektrolyten en materialen onder stressomstandigheden. Neutronen kunnen de reactie van deze materialen op spanningen in verschillende omgevingen volgen, wat cruciaal is voor het ontwikkelen van robuuste materialen voor energieopslag en elektronische toepassingen.

Bij het gebruik van neutronen in de studie van materie is het essentieel dat men zich bewust is van de voordelen en beperkingen van deze techniek. Neutronen kunnen bijvoorbeeld moeilijker te genereren zijn dan andere deeltjes, zoals elektronen, en vereisen specifieke faciliteiten zoals neutronenbronnen en synchrotrons. Echter, de nauwkeurigheid en diepte van de informatie die ze bieden, maken ze onmisbaar voor bepaalde onderzoeksgebieden. Door neutronen te combineren met andere karakteriseringstechnieken kunnen onderzoekers completere beelden verkrijgen van de eigenschappen en structuren van materialen, die nodig zijn voor zowel fundamenteel onderzoek als industriële toepassingen.

Hoe NCM-cathodes en hard-koolstof anodes geanalyseerd worden met behulp van ICP-MS en LA-ICP-MS in lithium-ionbatterijen

De analyse van de componenten van lithium-ionbatterijen (LIB’s) is een cruciaal proces om het functioneren en de levensduur van deze batterijen te begrijpen. Verschillende geavanceerde technieken worden toegepast voor het karakteriseren van materialen zoals cathodes en anodes, die essentieel zijn voor de prestatie van de batterij. In deze context zijn methoden zoals ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) en Laser Ablation ICP-MS (LA-ICP-MS) van groot belang.

In de jaren 2016 en 2017 werden verschillende studies uitgevoerd die de effectiviteit van deze technieken voor de analyse van materialen in LIB’s aantoonden. Ghanbari et al. gebruikten GD-OES in combinatie met ICP-OES om de anodes van lithium-ionbatterijen te analyseren. Hierbij werd rekening gehouden met de verhouding van matrixelementen zoals Li/C voor de anodes en Li/Co voor de cathodes om de correlatiecoëfficiënten te verbeteren. Deze aanpak werd gebruikt voor het bepalen van de chemische samenstelling van de anode- en cathodematerialen in verschillende fasen van de batterijcyclus. Het is gebleken dat voor een batterijcel, wanneer de gezondheid van de batterij 100% is, de lithiumverdeling in de anode en cathode op verschillende manieren kan veranderen afhankelijk van de mate van ontlading en opbouw van de SEI (Solid Electrolyte Interface) en CEI (Cathode Electrolyte Interface).

In 2017 publiceerde Vortmann-Westhoven een uitgebreide analyse van lithium-ionbatterijen, waarbij een ICP-OES-systeem werd gebruikt om de lithiumdistributie te bepalen in zowel T-cellen als pouch-cellen. De studie toonde aan dat de geometrie van de cel invloed had op het verlies van lithium, waarbij in sommige gevallen tot 16% van het lithium verloren ging door de gebruikte geometrie. Dit benadrukt het belang van het kiezen van de juiste celconfiguratie voor nauwkeurige metingen en de beperking van verlies tijdens de batterijcyclus.

Een ander belangrijk aspect van de lithium-ionbatterijanalyse is de detectie van onzuiverheden in de gebruikte chemicaliën, zoals lithiumhexafluorofosfaat (LiPF6). Fu et al. ontwikkelden een methode op basis van ICP-MS/MS om 18 metalen onzuiverheden in LiPF6 te bepalen, waarmee ze de interferentie van reactie-gasmengsels konden elimineren. De gevoeligheidslimieten voor deze elementen waren variabel en lagen tussen 0,30 en 63,8 ng/L. Dit toont aan dat zelfs de kleinste hoeveelheden verontreinigingen in batterijchemicaliën effect kunnen hebben op de prestaties en veiligheid van de batterij.

De ontwikkeling van nieuwe technieken voor het karakteriseren van nanodeeltjes in de materialen van de lithium-ionbatterij heeft een belangrijke rol gespeeld bij het verbeteren van de efficiëntie van deze batterijen. Kröger et al. pasten in 2021 voor het eerst single-particle ICP-OES toe voor het onderzoeken van cathodematerialen. Deze techniek maakt het mogelijk om de deeltjesgrootte van materialen zoals Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2 te bepalen, met een detectiegrens (LOD) van 0,5 µm, wat overeenkomt met analysemassa’s van respectievelijk 30 fg voor Li en 180 fg voor Mn. Dit biedt een gedetailleerder inzicht in de verdeling van lithium in de elektrodenmaterialen en kan helpen bij het begrijpen van de procesmechanismen die de prestaties van de batterij beïnvloeden.

In het geval van microstructurale analyse biedt Laser Ablation ICP-MS (LA-ICP-MS) een waardevolle tool. Door het gebruik van gepulseerde lasers om materiaal van het oppervlak van een monster te verwijderen, kunnen onderzoekers de chemische samenstelling van materialen in hoge resolutie bepalen. Deze techniek heeft de mogelijkheid om laterale resoluties van enkele micrometers te behalen en kan zelfs diepte-resoluties onder 1 µm realiseren. In combinatie met een massaspectrometer kan LA-ICP-MS zeer gedetailleerde informatie leveren over de samenstelling van elektrode-materialen en het lithiumverlies in de SEI en CEI van batterijen.

Echter, het gebruik van LA-ICP-MS in batterijonderzoek wordt bemoeilijkt door de complexe en ruwe structuur van de monsteroppervlakken. De aanwezigheid van verschillende optische eigenschappen van materialen kan leiden tot een ongelijkmatige intensiteit van de analyten, ondanks dat de concentraties van de elementen in het monster en de standaardmaterialen gelijk kunnen zijn. Om deze problemen te verhelpen, worden matrix-gematchte standaarden en referentiematerialen aanbevolen voor een betrouwbare kwantificatie van de gegevens.

Een belangrijk aspect bij het gebruik van LA-ICP-MS voor batterijonderzoek is de minimalisatie van de impact van fractioneringseffecten die optreden tijdens het ablatiesproces. Deze fractionering kan de nauwkeurigheid van de resultaten beïnvloeden, waardoor het noodzakelijk is om de juiste laserinstellingen en geschikte monsterintroducietechieken te kiezen.

Naast de eerder genoemde toepassingen in de analyse van lithium-ionbatterijen wordt LA-ICP-MS ook toegepast in andere vakgebieden zoals geologie, biomedisch onderzoek en oppervlakteanalyse. In deze disciplines heeft de techniek bewezen effectief te zijn bij het karakteriseren van verschillende materiaaleigenschappen en het onderzoeken van de samenstelling van biologische en geologische monsters. Deze veelzijdigheid benadrukt het potentieel van LA-ICP-MS als een belangrijke techniek in de analyse van batterijcomponenten.

Voor de lithium-ionbatterijen kan deze techniek helpen bij het beter begrijpen van de microstructurale veranderingen die optreden tijdens de ontlading en het opladen van de batterijen. Het bestuderen van deze veranderingen kan waardevolle inzichten bieden in het mechanisme van lithium-ionbeweging en de vorming van ongunstige neerslag van lithium in de anode of cathode. Het zou bijvoorbeeld nuttig kunnen zijn om de rol van microcracks in de deeltjesstructuur te onderzoeken, aangezien deze het transport van lithium beïnvloeden en mogelijk het rendement van de batterij verbeteren.

Hoe wordt de thermische prestaties van Li-ion batterijen beïnvloed door warmteoverdracht en gekoppelde fysieke fenomenen?

De thermische prestaties van Li-ion batterijen zijn sterk afhankelijk van de mate van warmteoverdracht binnen de cellen en het geheel van thermische processen dat zich afspeelt. Het begrijpen van de verschillende mechanismen van warmtegeneratie, thermische geleiding binnen de cellen, en warmteafvoer uit de cellen is cruciaal voor het optimaliseren van de batterijprestaties en het garanderen van de veiligheid. De koppeling van warmteoverdracht met andere fysische processen, zoals elektrochemische reacties en iontransport, speelt een belangrijke rol in het bepalen van de algehele thermische dynamica van de batterij.

Bij de numerieke modellering van warmteoverdracht in dergelijke systemen moeten verschillende technieken worden overwogen. De keuze voor een bepaalde discretisatiemethode kan sterk invloed hebben op zowel de nauwkeurigheid van de simulatie als de benodigde rekentijd. In veel gevallen leidt een fijnmaziger rooster tot een nauwkeuriger resultaat, maar dit verhoogt de rekentijd aanzienlijk. De keuze voor een niet-uniform rooster, waarbij fijnere discretisatie wordt toegepast in de regio's van belang, kan de rekentijd verkorten zonder verlies van nauwkeurigheid. Adaptieve tijdstappen zijn een ander hulpmiddel om de rekentijd te optimaliseren terwijl de nauwkeurigheid wordt gehandhaafd.

De stabiliteit van numerieke berekeningen is essentieel, vooral wanneer er niet-lineaire fenomenen in het spel zijn, zoals temperatuurafhankelijke eigenschappen van materialen. In deze gevallen is het belangrijk om de discretisatie zorgvuldig te kiezen en de juiste numerieke hulpmiddelen te gebruiken. Dit geldt vooral voor commerciële softwaretools, die vaak eenvoudig te gebruiken zijn maar waarvan de resultaten kritisch moeten worden geïnterpreteerd. Het is noodzakelijk om te controleren of het grid en de tijdstappen onafhankelijk zijn door ze te verfijnen totdat de resultaten niet meer veranderen. Dit proces zorgt ervoor dat de resultaten van de simulaties betrouwbaar en consistent zijn.

In gevallen waar warmteoverdracht gepaard gaat met andere fysische processen, zoals stroming of elektrochemische reacties, moet men zich bewust zijn van de onderlinge afhankelijkheden. Zo kan de temperatuur in een Li-ion batterij bijvoorbeeld de eigenschappen van de elektrolyten beïnvloeden, wat op zijn beurt de elektrochemische reacties beïnvloedt. Een voorbeeld hiervan is het effect van de temperatuur op de viscositeit van de vloeistof in een convectief systeem, wat de stroming en daarmee de warmteoverdracht kan veranderen. Dit soort koppeling kan leiden tot een positief feedbackmechanisme, waarbij een toename van de temperatuur leidt tot een verhoogde warmtegeneratie, wat de temperatuur verder doet stijgen, wat uiteindelijk kan resulteren in een thermische run-away.

De temperatuur van een Li-ion batterij heeft een directe invloed op de prestaties, veiligheid en levensduur van de batterij. Bij lage temperaturen neemt de ionenconductiviteit af en neemt de kans op lithiumafzetting toe, wat de prestaties verslechtert. Aan de andere kant kan een te hoge temperatuur leiden tot verhoogde zelfontlading, capaciteitverlies en het risico van thermische run-away. Dit fenomeen wordt vooral relevant wanneer de batterijtemperatuur een drempel van 60°C tot 80°C overschrijdt, wat kan leiden tot de inwerkingtreding van exotherme reacties die de temperatuur verder verhogen. Dit kan uiteindelijk resulteren in een explosie of brand, zoals we hebben gezien bij verschillende incidenten met auto- of vliegtuigaccu’s en consumentenelektronica.

Het gedrag van de Li-ion cellen in verschillende thermische omstandigheden wordt bepaald door de interactie van diverse thermische processen. De mate van warmtegeneratie in de batterij is afhankelijk van verschillende factoren, zoals de stroomsterkte, de interne weerstand van de cellen, en de elektrochemische reacties die plaatsvinden tijdens het laden en ontladen. De warmte wordt niet alleen gegenereerd door de elektrische weerstand van de cellen, maar ook door contactweerstanden en door polarizatie van de elektrochemische reacties. Hoe hoger de stroomsterkte of de ontlaadsnelheid, hoe groter de warmteontwikkeling. Deze warmte moet effectief worden afgevoerd om een gevaarlijke temperatuurstijging te voorkomen.

In situaties waarin de batterij bij hoge temperaturen werkt, kunnen exotherme reacties het thermische evenwicht verstoren en leiden tot een vicieuze cirkel waarbij de temperatuur verder oploopt. Als de warmteproductie het vermogen om warmte af te voeren overtreft, komt de batterij in een toestand van thermische run-away. Dit fenomeen heeft tot vele catastrofale incidenten geleid, wat het belang onderstreept van een zorgvuldige controle en regeling van de temperatuur in batterijen.

Bovendien is het van cruciaal belang om het effect van externe omgevingsomstandigheden te overwegen, zoals de temperatuur van de omgeving waarin de batterij zich bevindt. Bij extreme omgevingen kunnen zelfs kleine thermische oneffenheden of warmteproductie leiden tot ongewenste incidenten. Daarom is het belangrijk dat er bij de ontwikkeling van batterijtechnologie rekening wordt gehouden met zowel interne thermische dynamica als de omgevingsomstandigheden waarin de batterij zal functioneren.

Het verbeteren van de thermische prestaties van Li-ion batterijen vereist een systematisch begrip van deze interacties en de ontwikkeling van geavanceerde modellen die niet alleen de temperatuurverdeling binnen de cellen simuleren, maar ook rekening houden met de effectiviteit van warmtebeheerstrategieën en de koppeling met de elektrochemische processen. De materiaalkeuze speelt hierbij een belangrijke rol, aangezien de thermische geleidbaarheid van de gebruikte materialen direct invloed heeft op de warmteafvoer en daarmee op de algehele prestatie en veiligheid van de batterij.

Hoe invloedrijke figuren binnen een voetbalclub de dynamiek van het team kunnen beïnvloeden
Hoe Politici de Pers Aanvallen: De Rol van de Media in de Politieke Retoriek
Hoe Slim Kunnen Machines Eigenlijk Worden?