Ультразвук выявляет скрытые дефекты аккумулятора:новый диагностический инструмент

Эндрю Корселли

Недавний рост числа пожаров, связанных с аккумуляторами, привлек внимание к проблеме выявления дефектов, которые могут вызвать эти катастрофические неисправности, но редко заметны невооруженным глазом. В надежде предотвратить опасные сбои, которые могут привести к перегреву и возгоранию аккумуляторов, исследователи из Университета Дрекселя разработали стандартный процесс тестирования, позволяющий производителям лучше понять внутреннюю работу аккумуляторов.

В статье, недавно опубликованной в журнале Electrochimica Acta , группа представила методы использования ультразвука для мониторинга электрохимических и механических функций батареи, которые позволяют немедленно выявить любые повреждения или дефекты, которые могут привести к перегреву и даже вызвать «тепловой выход из-под контроля».

«Хотя литий-ионные батареи изучаются уже почти полвека и коммерциализируются более 30 лет, мы только недавно разработали инструменты, которые могут видеть внутри с высоким разрешением», — сказал Уэс Чанг, доктор философии, доцент, главный исследователь лаборатории динамики батарей в Инженерном колледже Дрекселя, который руководил проектом. "В частности, ультразвук был адаптирован из других областей, таких как геофизика и биомедицинские науки, для диагностики аккумуляторов только в последнее десятилетие. Поскольку это настолько новый метод в аккумуляторной промышленности и производстве электромобилей, существует необходимость научить инженеров-аккумуляторов тому, как он работает и почему он полезен".

Недавняя работа команды направлена на достижение этой цели путем демонстрации недорогого и доступного настольного ультразвукового прибора, который, как она надеется, может быть легко внедрен и использован инженерами по аккумуляторным батареям, в том числе теми, кто работает в автомобильных компаниях, производящих электромобили.

Вот эксклюзивные Технические обзоры интервью с Чангом, отредактированное для большей длины и ясности.

Технические обзоры :Какова была самая большая техническая проблема, с которой вы столкнулись?

Чанг :Мы разрабатываем новую методику диагностики аккумуляторов, основанную на звуковых волнах. Итак, это адаптация ультразвука, обычно используемого в биомедицинской области для изучения старения батарей. На ваш вопрос, это всегда проблема с разработкой нового метода:специалисты по батареям обычно являются химиками или учеными-материаловедами, а не инженерами-механиками. Ультразвук — это то, что обычно используется в биомедицинских науках, а также в геофизике. На самом деле это механический зонд. Итак, самой большой проблемой для меня было создание команды, в которую входили бы люди, обладающие опытом в области механического проектирования и обработки сигналов, а затем попытка использовать эти навыки для создания чего-то, что могло бы измерять химический состав аккумуляторов. Это очень междисциплинарная работа.

В конечном итоге у вас есть инструмент, измеряющий модуль упругости и плотность, которые коррелируют со старением батареи и ее производительностью. Тогда задача заключалась в том, чтобы сделать эту методику удобной для пользователя и простой для понимания учеными, занимающимися аккумуляторами.

Технические обзоры :Есть ли у вас четкие планы на дальнейшие исследования, работу и т.д.? Если нет, то каковы ваши дальнейшие действия? Куда вы пойдете дальше?

Чанг :У нас есть определенные планы на предстоящую работу. Метод в его нынешнем виде представляет собой либо 1D, либо 2D метод. 1D означает, что вы сканируете центр теста; вы посылаете звуковую волну через центр батареи, и при включении батареи эта звуковая волна меняет форму. То, как он меняет форму, коррелирует с изменением модуля упругости и плотности.

Вы можете сделать то же самое в 2D, просто отсканировав электрод, и вы получите изображение батареи. Таким образом, он сообщает вам не только когда, но и где что-то происходит. Таким образом, 3D означает возможность не только получить сканирование батареи, но и послойное разрешение. Имеется в виду геометрия.

Итак, аккумулятор снаружи выглядит довольно просто. Это что-то вроде мешочка или чего-то вроде цилиндра. Но внутри находится множество слоев электродов, сложенных вместе. Если вы видите изменение в 2D, вы обычно приписываете его какой-то области. Но вопрос в том, является ли это дефектом или это возможный режим неисправности. Это происходит через каждый электрод или на одном конкретном электроде? Это то, чего пытается достичь 3D. Вы можете себе представить, что это довольно сложно, потому что нам нужно выяснить, как разложить этот сигнал на отдельные компоненты, например, как он взаимодействует с каждым отдельным слоем.

Итак, в качестве следующего шага мы создаем более совершенные алгоритмы, которые позволят нам разлагать форму сигнала на эффект каждого слоя. Это то, что приведет нас к 3D-разрешению. Мы думаем, что это возможно, потому что рентгеновские лучи уже обладают такой способностью. И в некоторых случаях в биомедицинских науках им удалось получить 3D-версию. Она определенно находится в авангарде ультразвуковых технологий, но именно там мы и хотим быть.

Технические обзоры :Есть ли что-нибудь еще, чего бы вы хотели добавить, чего я не коснулся?

Чанг :Хочу подчеркнуть, что ультразвук для аккумуляторов существовал еще тогда, когда я был доктором наук. студент — мы разрабатывали его в моей старой лаборатории. Итак, на самом деле, акцент здесь делается на том, чтобы сделать относительно новый инструмент простым в использовании для ученых, занимающихся аккумуляторами. И я просто хочу подчеркнуть, что главным результатом было создание этой платформы на базе аккумуляторного стартапа SES AI, на их научно-исследовательской площадке; нам удалось обучить одного из их инженеров использовать его ежедневно. На мой взгляд, это самый плодотворный и мотивирующий аспект нашей работы — видеть, как она напрямую применяется в промышленности. Таким образом, он не только изолирован от SES, но мы также общаемся с другими стартапами и несколькими крупными компаниями-производителями автомобилей, которые либо уже имеют ультразвуковой инструмент, либо хотят его приобрести. Мы разговариваем с ними, чтобы помочь им лучше понять этот инструмент и сделать его более похожим на функцию «подключи и работай», которую любая научно-исследовательская лаборатория или отрасль имеет для батарей.