Sensor meet temperatuur midden in lithium-ioncel

Bij zware belasting kan een lithium-ioncel aan de binnenkant aanzienlijk warmer zijn dan de buitenkant doet vermoeden. Juist die kerntemperatuur blijft voor batterijmanagementsystemen grotendeels buiten beeld. Fraunhofer ISE en Hilti hebben daarom een meetmethode ontwikkeld waarbij een temperatuursensor rechtstreeks in de elektrodekern van een batterijcel wordt aangebracht, met minimale invloed op de werking van de cel.

Die informatie is vooral belangrijk bij batterijen die korte tijd zeer hoge vermogens moeten leveren, zoals in elektrisch gereedschap. Bij hoge ontlaadstromen kan de temperatuur in de kern sneller oplopen dan aan de buitenzijde zichtbaar is. Een batterijmanagementsysteem dat alleen oppervlaktetemperaturen kent, krijgt daardoor een onvolledig beeld van de thermische belasting.

Sensor tussen de elektroden

Voor de proef gebruikten de onderzoekers een commerciële NCM/grafiet-pouchcel met een capaciteit van 4,5 Ah. Vervolgens werden thermokoppels aan de elektroden bevestigd en werd de cel opnieuw afgesloten. Extra sensoren aan de boven- en onderzijde maakten het mogelijk de kerntemperatuur rechtstreeks met de oppervlaktetemperatuur te vergelijken.

De cellen werden vervolgens ontladen met snelheden tot 22 C. Voor de gebruikte 4,5Ah-cel komt 22 C overeen met een stroom van 99 ampère en een theoretische volledige ontlading in ongeveer 2,7 minuten. Bij zo’n belasting zou een volledig geladen accu theoretisch in minder dan drie minuten leeg zijn. Bij een ontlaadsnelheid van 20 C bleek de temperatuur in de kern gemiddeld ongeveer 2 °C hoger te liggen dan aan het oppervlak. Dat verschil lijkt beperkt, maar kan relevant zijn voor het bepalen van veilige bedrijfsgrenzen en voor modellen waarmee veroudering en levensduur worden voorspeld. Bij grotere batterijcellen verwacht Fraunhofer bovendien dat het temperatuurverschil tussen kern en buitenzijde groter kan worden.

Cel blijft vrijwel intact

Een belangrijke vraag was of het inbrengen van de sensor zelf het gedrag van de batterij verandert. De beschikbare capaciteit nam door de ingreep met ongeveer 2 procent af. Volgens Fraunhofer is de invloed daarmee klein genoeg om de temperatuurmetingen ook als representatief voor niet-aangepaste cellen te beschouwen. Met metingen rechtstreeks in de elektrodekern kunnen ontwikkelaars modellen beter afstemmen op wat daadwerkelijk in de cel gebeurt. Dat kan helpen bij het zoeken naar een betere balans tussen maximaal vermogen, veiligheid en levensduur.