Gabriela Bergiel, studentka AGH, członek Studenckiego Koła Naukowego „AstroBio”, zbudowała niewielkie urządzenie, które może być wynoszone w powietrze przez balony meteorologiczne. Powstało ono z myślą o badaniu zjawiska przyspieszonej degradacji ogniw bateryjnych w warunkach niskiej temperatury i ciśnienia. Zebrane w ten sposób dane mogą pomóc w rozwoju technologii kosmicznych, transportowych czy wojskowych.
Gabriela Bergiel, studentka Wydziału Elektrotechniki, Automatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH, używa baterii litowo-jonowych do zadań realizowanych w ramach projektów Studenckiego Koła Naukowego „AstroBio”. Akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion) od ponad trzydziestu lat zasilają większość używanej przez ludzi elektroniki – od komputerów i smartfonów po drony i samochody elektryczne. Do ich głównych zalet należy wysoka pojemność przy stosunkowo niewielkiej masie.
– Regularnie przeprowadzamy różne eksperymenty w stratosferze z wykorzystaniem balonów meteorologicznych. Do zasilania wynoszonej w tym celu aparatury używamy akumulatorów litowo-jonowych, które są pierwszym wyborem w przypadku projektów hobbystycznych i studenckich. Naturalnie więc zadaliśmy sobie pytanie, jak znoszą one pracę w ekstremalnych warunkach – opowiada Gabriela Bergiel.
Niskie ciśnienie nie służy bateriom
– Baterie litowo-jonowe, które wykorzystywane są w produktach konsumenckich – i używane też przez naszych studentów – są przygotowane do działania w temperaturach od +60 do -20 st. C. Tymczasem w stratosferze temperatura może wynosić nawet -60 st. C, w związku z czym muszą one pracować na skraju swojego zakresu roboczego, albo daleko poza nim. W takich warunkach, a do tego przy niskim ciśnieniu panującym na dużych wysokościach, akumulatory ulegają przyspieszonej degradacji. Chcieliśmy poddać to zjawisko obserwacji i analizie – uzupełnia dr inż. Mateusz Danioł, jeden z opiekunów SKN „AstroBio”.
Do obserwowanych objawów starzenia się baterii, które negatywnie wpływają na ich użyteczność i wydajność, należą spadek pojemności, wzrost wewnętrznego oporu elektrycznego oraz spadek mocy. Zespół SKN AstroBio postanowił znaleźć odpowiedź na pytanie: dlaczego tak się dzieje?
Bazując na doniesieniach literatury naukowej, zespół postawił kilka hipotez wyjaśniających przyczynę przyspieszonej degradacji. Według pierwszej z nich, spadek ciśnienia atmosferycznego w stratosferze powoduje osłabienie kontaktu pomiędzy cząsteczkami elektrolitu i elektrody. Może to powodować nierównomierny przepływ prądu w obrębie ogniwa, co prowadzi do miejscowych uszkodzeń, które wpływają na zmniejszenie ogólnej wydajności akumulatora.
Drugi czynnik, który potencjalnie powoduje przyspieszoną degradację baterii Li-Ion, również związany jest z pracą w warunkach niskiego ciśnienia. Spada wówczas przewodnictwo cieplne elektrod, zwłaszcza w kierunku poprzecznym do warstw elektrod. Może to mieć krytyczne znaczenie zwłaszcza w sytuacji, kiedy z ogniwa pobierane jest dużo prądu. Wpływa to również na naprężenia mechaniczne, którym elementy ogniwa poddawane są w wyniku dynamicznie zmieniających się warunków atmosferycznych w stratosferze. Może to przyspieszać proces tworzenie się warstwy międzyfazowej w elektrolicie (ang. SEI, solid-electrolyte interphase), co w dalszej kolejności skutkuje wzrostem oporu elektrycznego wewnątrz ogniwa.
Laboratorium w przestworzach
Weryfikacja tych hipotez w rzeczywistym poligonie doświadczalnym nie byłaby możliwa przy wykorzystaniu aparatury, która używana jest do badania akumulatorów w warunkach laboratoryjnych.
– Standardowe zestawy do testowania baterii są duże i ciężkie, w związku z czym nie można umieścić ich na pokładzie balonu stratosferycznego. Bezskutecznie szukałam na rynku urządzeń, które mają odpowiednio małe gabaryty i umożliwiają stosowanie różnych profili prądu do testowania baterii. Zaczęłam więc samodzielnie projektować i prototypować taki system – opowiada Gabriela Bergiel.
Skonstruowane przez studentkę AGH urządzenie pozwala na pomiar prądu wypływającego z ogniwa oraz napięcia na samym ogniwie podczas gdy jest ono rozładowywane impulsami prądu. Stwarza to możliwość badania wewnętrznej rezystancji ogniwa akumulatora przy różnych stanach naładowania oraz krzywej relaksacji napięcia. Porównując pomiary wykonane przed lotem, w trakcie oraz po locie istnieje możliwość określenia wpływu lotu stratosferycznego na moc ogniwa oraz potencjalnie wykrycia pewnych zmian strukturalnych w ogniwie zachodzących podczas lotu. Oprócz tego, aparat rejestruje również temperaturę i ciśnienie atmosferyczne, jak też temperaturę na powierzchni ogniwa.
Pierwszy lot urządzenia
Pierwsza misja balonu stratosferycznego ze zbudowanym przez Gabrielę Bergiel urządzeniem na pokładzie odbyła się w drugim tygodniu października. Statek powietrzny wystartował z Pustyni Błędowskiej i osiągnął pułap 28 000 m.
Podczas tego lotu udało się zrealizować dwa cele:
- przetestowano działanie znajdującego się na pokładzie aparatu przy niskiej temperaturze i ciśnieniu, a także jego odporność na uszkodzenia w wyniku wydarzeń będących stałym elementem misji balonów stratosferycznych: rotację w trakcie wznoszenia, pęknięcie powłoki balonu po osiągnięciu wysokości krytycznej, opadania ładunku na spadochronie oraz jego uderzenie w ziemię.
- zebrano dane na temat wpływu warunków panujących w stratosferze na pojemność baterii. Badanie polegało na porównaniu procesu rozładowywania ogniwa w normalnych warunkach roboczych, a następnie powtórzenie tego procesu przy zachowaniu tego samego profilu prądu w stratosferze.
Modelowanie matematyczne
Analiza przebiegu misji oraz pracy urządzenia posłuży do wprowadzenia niezbędnych ulepszeń. Dane zabrane podczas kolejnych Gabriela Bergiel zamierza również wykorzystać do opracowania modelu matematycznego, który pozwoli szacować stopień degradacji akumulatorów Li-Ion w środowisku niskiej temperatury i ciśnienia.
Więcej informacji w komunikacie AGH.
Źródło: AGH
Opracował: PZG
