Ультразвук выявляет скрытые дефекты батарей: новый диагностический инструмент

Эндрю Корселли

Недавний рост пожаров, связанных с батареями, привлек внимание к проблеме выявления дефектов, которые могут вызывать эти катастрофические сбои, но редко очевидны невооруженному глазу. В надежде предотвратить опасные сбои, вызывающие перегрев и возгорание батарей, исследователи из Дрексельского университета разработали стандартный тестовый процесс, дающий производителям лучший взгляд на внутреннюю работу батарей.

В статье, недавно опубликованной в журнале Electrochimica Acta, группа представила методы использования ультразвука для мониторинга электрохимических и механических функций батареи — что немедленно раскрывает любой ущерб или изъяны, которые могут привести к перегреву и даже вызвать «термический бег».

«Хотя Li-ion батареи изучаются почти полвека и коммерциализированы более 30 лет, мы только недавно разработали инструменты, способные заглянуть внутрь с высоким разрешением», — сказал Уэс Чанг, Ph.D., مساعد профессор, главный исследователь, лаборатория динамики батарей в Колледже инженерии Дрекселя, который руководил проектом. «В частности, ультразвук был адаптирован из других областей, таких как геофизика и биомедицинские науки, для диагностики батарей только в последнее десятилетие. Поскольку это такая новая техника в батарейной и EV-индустрии, существует необходимость учить инженеров по батареям, как это работает и почему это полезно».

Недавняя работа команды стремится сделать это, демонстрируя низкозатратный, доступный настольный ультразвуковой инструмент, который они надеются может быть легко внедрен и использован инженерами по батареям, включая тех, кто работает в автомобильных компаниях, производящих EV.

Эксклюзивное интервью Tech Briefs с Чангом

Tech Briefs: Какая была крупнейшая техническая проблема, с которой вы столкнулись?

Чанг: Мы разрабатывали новую технику для диагностики батарей, и она основана на звуковых волнах. Так что это адаптация ультразвука, обычно используемого в биомедицинской области, для исследований старения батарей. К вашему вопросу, это всегда проблема при разработке нового метода: ученые по батареям обычно химики или материаловеды, не так много механические инженеры. Ультразвук — это то, что обычно используется в биомедицинских науках и также в геофизике, это действительно механический зонд. Так что крупнейшей проблемой для меня было построение команды, у которой есть люди с экспертизой в механическом дизайне и обработке сигналов, а затем попытка использовать эти навыки для построения чего-то, что может измерять химию батареи. Это очень междисциплинарное предприятие.

В конечном счете, у вас есть инструмент, измеряющий модуль упругости и плотность, что коррелирует со старением и производительностью батареи. Проблема была затем в том, чтобы сделать эту технику удобной для пользователя и легкой для понимания учеными по батареям.

Tech Briefs: У вас есть планы на дальнейшие исследования, работу и т.д.? Если нет, какие ваши следующие шаги? Куда вы идете отсюда?

Чанг: У нас есть планы на предстоящую работу. Метод, как он стоит, это либо 1D, либо 2D техника. 1D относится к тому, когда вы сканируете центр батареи; вы посылаете звуковую волну через центр батареи, и по мере циклирования батареи, эта звуковая волна меняет форму. Способ, которым она меняет форму, коррелирует с изменением модуля упругости и плотности.

Вы можете сделать то же в 2D, просто сканируя электрод, и это дает вам изображение батареи. Так что это говорит вам не только когда, но и где что-то происходит. Так что 3D тогда относится к способности не только получить скан батареи, но и слой-за-слоем разрешение. Это относится к геометрии.

Так что батарея снаружи выглядит довольно просто. Это как мешочек или что-то вроде цилиндра. Но внутри это много слоев электродов, сложенных вместе. Если вы видите изменение в 2D, вы обычно атрибутируете его какой-то области. Но вопрос: является ли это дефектом или возможным режимом отказа. Происходит ли это через каждый электрод или на одном конкретном электроде? Это то, к чему стремится 3D. Вы можете представить, это довольно сложно, потому что это требует от нас выяснить, как декомпозировать эту волновую форму на ее индивидуальные компоненты, как она взаимодействует с каждым отдельным слоем.

Так что как следующий шаг, что мы делаем — строим лучшие алгоритмы, позволяющие нам декомпозировать волновую форму на эффект каждого слоя. Это то, что приведет нас к 3D разрешению. Мы думаем, это возможно, потому что это уже способность рентгена. И в некоторых случаях в биомедицинских науках они смогли получить 3D версию. Это определенно на передовой ультразвуковой технологии, но именно там мы хотим быть.

Tech Briefs: Есть ли что-то еще, что вы хотели бы добавить, о чем я не коснулся?

Чанг: Я хочу подчеркнуть, что ультразвук для батарей существовал даже когда я был аспирантом — мы разрабатывали его в моей старой лаборатории. Так что действительно, акцент здесь — сделать относительно новый инструмент легким для использования учеными по батареям. И я просто хочу подчеркнуть, что главный результат был в основном построении этой платформы у батарей, батарейного стартапа SES AI, на их R&D сайте; мы смогли обучить одного из их инженеров использовать его ежедневно. Для меня это самый плодотворный и мотивирующий аспект нашей работы — видеть его непосредственно переведенным в промышленное использование. Так что это не только изолировано в SES, но мы также говорим с другими стартапами и несколькими крупными автомобильными производственными компаниями, которые либо уже имеют ультразвуковой инструмент, либо ищут его. Мы говорим с ними, чтобы помочь им лучше понять инструмент и сделать его более похожим на plug-and-play способность, которую любой R&D лаб и индустрия имеет для батарей.