I versatili analizzatori di batterie di AMETEK Scientific Instruments vengono utilizzati in contesti di produzione e ricerca applicata, dove consentono sequenze di test ripetibili per periodi di tempo estesi
Tecnologie all'avanguardia per coprire tutte le esigenze in termini di costi, prestazioni e innovazione. Questo è il mantra del team di sviluppo prodotto di Strumenti scientifici AMETEK (AMETEK SI), produttore statunitense di sistemi di test specialistici per studi elettrochimici e caratterizzazione di batterie. Ingrandisci un po' e i punti di riferimento operativi saranno altrettanto chiari. Al centro c'è un mix di clienti cosmopoliti, che spaziano dalla ricerca accademica, alla ricerca e sviluppo industriale e alla produzione in serie, oltre a un portafoglio elettrochimico completo: termociclatori, potenziostati, galvanostati, analizzatori di risposta in frequenza e molto altro in termini di hardware e software ausiliari.
L'allineamento è tutto, con gli utenti finali e i prodotti AMETEK SI mappati in modo sincrono in una vasta gamma di applicazioni di test e misurazione (sistemi di accumulo di energia, elettrochimica fisica, scienza della corrosione, dispositivi biomedici e materiali a stato solido) e basandosi su un insieme combinato di oltre 100 anni di leadership tecnologica nei tre marchi principali del produttore: Princeton Applied Research, Solartron Analytical e Signal Recovery.
Prestazioni nel tempo
Se questo è il retroscena, che dire del presente e del prossimo passo sulla roadmap di sviluppo? Nel breve termine, l'allineamento dell'innovazione tecnologica con l'evoluzione delle esigenze degli utenti finali sottolinea le ultime offerte di prodotti AMETEK SI: il SI-6200 ed SI-9300R termociclatori per ricerca e test di produzione di batterie avanzate destinate ad applicazioni in telefoni cellulari, PC, veicoli elettrici (EV) e simili. In breve, questi termociclatori per batterie ad alte prestazioni consentono a ricercatori e produttori di confrontare i meriti di nuovi prodotti chimici e materiali per batterie, con test ciclici ripetibili eseguiti su intervalli di tempo estesi (da diverse settimane a diversi mesi) per convalidare le prestazioni di durata lungo più coordinate.
Pertanto, i ciclatori per batterie AMETEK SI consentono tutti i tipi di funzionalità di test: corrente costante, tensione costante (CC-CV); potenza costante (CP); resistenza costante (CR); voltammetria ciclica (CV); nonché una gamma di schemi di rampa a impulsi rapidi e tensione/corrente. Nel mix sono presenti anche modalità diagnostiche avanzate, tra cui la spettroscopia di impedenza elettrica (EIS), una tecnica non distruttiva per l’analisi del cosiddetto “stato di carica” (SOC) e il rilevamento precoce dei guasti all’interno della batteria; test del ciclo del profilo di guida urbano (forme d'onda arbitrarie) per simulare l'ambiente reale sperimentato dalle celle della batteria nelle applicazioni per veicoli elettrici; e analisi della capacità differenziale per monitorare lo stato di salute (SOH) e i cambiamenti strutturali nei materiali delle batterie durante cicli ripetuti di carica/scarica.
I SI-6200, dal canto suo, è progettato per testare materiali di batterie, supercondensatori e micro celle a combustibile di prossima generazione fino a 200 mA/10 V per canale. Tra le caratteristiche principali dell'analizzatore: funzionamento autonomo utilizzando moduli impilabili a 10 canali (o basati su armadio); elevate velocità di acquisizione dei dati (migliaia di misurazioni al secondo su tutti i canali); e l'incorporazione di convertitori a 24 bit ad alta risoluzione (per consentire il rilevamento precoce di piccole differenze nel comportamento delle cellule).
“A causa della corrente relativamente bassa per canale, il SI-6200 si concentra principalmente sulla sperimentazione di prototipi di celle a bottone e di dispositivi di accumulo di energia su piccola scala", spiega Massimo DeSantis, vicepresidente della divisione di AMETEK Advanced Measurement Technology (AMT), un'unità aziendale più ampia che include AMETEK SI. "La fase iniziale di sviluppo e test del dispositivo rappresenta il 'punto debole' dell'applicazione, sebbene il termociclatore possa essere utilizzato anche in un ambiente di produzione."
Vale la pena notare che la capacità dell’EIS, precedentemente limitata ai contesti di ricerca accademica, sta ora passando alla ricerca e sviluppo industriale e ai test di produzione. Non è difficile capire perché. Per cominciare, l’EIS consente l’analisi granulare di resistenza, capacità e impedenza a diverse frequenze per tracciare la risposta elettrica di una batteria. Queste informazioni dipendenti dalla frequenza fanno luce su diversi problemi prestazionali, tra cui reazioni collaterali, degradazione degli elettrodi, invecchiamento dell'elettrolita e degradazione dell'SOH.
Inoltre, l'EIS è una tecnica non invasiva che può essere utilizzata per sul posto o monitoraggio in tempo reale senza interrompere la normale modalità di funzionamento della batteria. Si tratta di un grande vantaggio e significa che i produttori possono implementare misurazioni EIS sulle batterie in diverse fasi della produzione, garantendo coerenza nelle prestazioni e rilevando eventuali difetti o anomalie nelle prime fasi del processo di produzione (quando l’efficienza del flusso di lavoro e l’affidabilità del dispositivo sono essenziali).
Progressioni del potere
Per estensione, il SI-9300R ciclatore a batteria – il “fratello maggiore” del SI-6200 – è progettato per testare batterie ad alta potenza, celle a combustibile ed elettrolizzatori fino a 10 V/200 A. Pertanto, ciascun canale del SI-9300R svolge le stesse funzioni di base di SI-6200 – con funzionalità EIS integrata – anche se con funzionalità aggiuntive rivolte agli sviluppatori di batterie per veicoli elettrici e delle cosiddette batterie di “seconda vita” per veicoli elettrici (che hanno raggiunto la fine della loro “vita automobilistica” pur mantenendo una capacità residua di circa 70-80 %).
Come il suo prodotto gemello, il SI-9300R è modulare e scalabile – con diverse opzioni di armadio (42U e 24U) che possono essere controllate e monitorate tramite più PC – mentre fino a cinque canali possono essere collegati in parallelo per consentire test fino a 1000 A. “Stiamo esaminando le applicazioni nella ricerca e sviluppo industriale e in qualsiasi ambiente di ricerca impegnato nella sperimentazione avanzata di prototipi di batterie e celle a combustibile ad alta potenza”, osserva DeSantis.
Un aspetto fondamentale del SI-9300R è l'implementazione della gestione dell'energia rigenerativa che, secondo il team di prodotto, può garantire un risparmio di spazio fino a 5 volte e un risparmio del 90% sui costi di esercizio annuali rispetto ai termociclatori convenzionali. Senza questo tipo di intervento attivo, c'è molto calore da dissipare quando le celle si scaricano su più canali – e ciò significa ulteriore spazio per i sistemi di raffreddamento all'interno dell'analizzatore. Nel SI-9300RTuttavia, la potenza viene ricircolata internamente tra i canali che si scaricano e si caricano contemporaneamente.
Nel frattempo, l’affidabilità del sistema è una delle principali preoccupazioni per gli utenti finali delle apparecchiature di riciclaggio delle batterie: l’obiettivo è il ciclo veramente autonomo delle sequenze di test delle batterie. Con questo in mente, entrambi i SI-6200 ed SI-9300R affidatevi alla tecnologia brevettata Direct-to-Disk di AMETEK SI per garantire un approccio più sicuro e robusto all'acquisizione e all'archiviazione dei dati. In parole povere: i dati del ciclatore a batteria vengono archiviati direttamente su un'unità disco, senza PC intermediari, per ridurre al minimo il rischio di perdita di dati.
Tutto ciò è rafforzato da Software Aspire Energy – “l'anima degli analizzatori di batterie AMETEK” – che fornisce un ambiente di test completamente integrato per la gestione di termociclatori, camere climatiche, registratori di dati e apparecchiature ausiliarie. Con i team di sviluppo prodotto spesso dispersi a livello globale, le librerie condivisibili di Aspire consentono di preconfigurare e condividere test, grafici e analisi dei dati da tutti gli utenti per garantire la coerenza dei risultati.
Dal punto di vista operativo, è significativo che AMETEK SI insista nell'impiego di ingegneri sul campo formati dall'azienda per supportare l'installazione, la messa in servizio e l'accettazione dei suoi ciclatori a batteria nel laboratorio o nella struttura di prova del cliente. "Le nostre motivazioni sono chiare", conclude DeSantis. "Si tratta di dare priorità a un processo di onboarding più fluido, a una risoluzione più rapida delle domande tecniche e a un programma di formazione mirato a fornire utenti finali soddisfatti ogni volta."
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/battery-cyclers-shedding-light-on-the-detail-of-electrochemical-materials-and-devices/
