Ultrasone onthult verborgen batterijdefecten: Een nieuw diagnostisch hulpmiddel

Andrew Corselli

Een recente toename in batterij-gerelateerde branden heeft aandacht getrokken op de uitdaging van het identificeren van defecten die deze catastrofale malfunctionen kunnen veroorzaken maar zelden met het blote oog zichtbaar zijn. In de hoop de gevaarlijke glitches te voorkomen die batterijen kunnen laten oververhitten en vlam vatten, hebben onderzoekers van Drexel University een standaard testproces ontwikkeld om fabrikanten een betere kijk te geven op de interne werking van batterijen.

In een paper onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Electrochimica Acta, presenteerde de groep methoden voor het gebruik van ultrasone om de electrochemische en mechanische functies van een batterij te monitoren — wat direct eventuele schade of flaws onthult die kunnen leiden tot oververhitting en zelfs "thermal runaway" kunnen veroorzaken.

"Terwijl Li-ion batterijen bijna een halve eeuw bestudeerd zijn en meer dan 30 jaar gecommercialiseerd, hebben we pas recent tools ontwikkeld die er met hoge resolutie in kunnen kijken," aldus Wes Chang, Ph.D., Assistant Professor, Primary Investigator, Battery Dynamics Lab in Drexel's College of Engineering, die het project superviseerde. "In het bijzonder is ultrasone aangepast van andere velden, zoals geofysica en biomedische wetenschappen, voor batterijdiagnostiek alleen in het afgelopen decennium. Omdat het zo een nieuwe techniek is in de batterij- en elektrische voertuigindustrieën, is er een behoefte om batterijingenieurs te leren hoe het werkt en waarom het nuttig is."

Het recente werk van het team streeft ernaar dit te doen door een laag-kost, toegankelijke benchtop ultrasone tool te demonstreren die ze hopen gemakkelijk geïmplementeerd en gebruikt kan worden door batterijingenieurs, inclusief die werken bij automotive bedrijven die EV's produceren.

Exclusief Tech Briefs interview met Chang

Tech Briefs: Wat was de grootste technische uitdaging die je tegenkwam?

Chang: We hebben een nieuwe techniek voor batterijdiagnostiek ontwikkeld, en die is gebaseerd op geluidsgolven. Dus, het is ultrasone aanpassen die normaal in het biomedische veld gebruikt wordt voor batterijverouderingsstudies. Om op je vraag in te gaan, dit is altijd een probleem met het ontwikkelen van een nieuwe methode: Batterijwetenschappers zijn normaal chemici of materiaalwetenschappers, niet zoveel mechanische ingenieurs. Ultrasone is iets wat gemeenschappelijk gebruikt wordt in biomedische wetenschappen en ook in geofysica, het is echt een mechanische probe. Dus de grootste uitdaging voor mij was een team bouwen dat mensen heeft met expertise in mechanisch ontwerp en signaalverwerking en dan proberen die vaardigheden te benutten om iets te bouwen dat batterijchemie kan meten. Het is een heel cross-disciplinaire onderneming.

Uiteindelijk heb je een tool die elastische modulus en dichtheid meet, wat gecorreleerd is met batterijveroudering en batterijprestaties. De uitdaging was dan deze techniek gebruiksvriendelijk en makkelijk te begrijpen maken voor batterijwetenschappers.

Tech Briefs: Heb je concrete plannen voor verder onderzoek, werk, etc.? Zo niet, wat zijn je volgende stappen? Waar ga je heen?

Chang: We hebben concrete plannen voor toekomstig werk. De methode zoals die staat is ofwel een 1D of 2D techniek. De 1D verwijst naar wanneer je het centrum van een batterij scant; je stuurt een geluidsgolf door het centrum van de batterij, en naarmate je de batterij cycelt, verandert die geluidsgolf van vorm. De manier waarop het van vorm verandert is gecorreleerd met een verandering in elastische modulus en dichtheid.

Je kunt hetzelfde in 2D doen door gewoon de elektrode te scannen, en dat geeft je een afbeelding van de batterij. Dus het vertelt je niet alleen wanneer maar ook waar iets gebeurt. Dus, 3D verwijst dan naar het vermogen om niet alleen een scan van de batterij te krijgen maar ook laag-voor-laag resolutie. Dit verwijst naar de geometrie.

Een batterij, van buitenaf, ziet er pretty simple uit. Het is als een pouch of zoiets als een cilinder. Maar binnenin is het veel lagen van elektroden die samengestapeld zijn. Als je een verandering in 2D ziet, schrijf je het normaal toe aan een bepaald gebied. Maar de vraag is, is dat een defect of is dat een mogelijke falen mode. Gebeurt het door elke elektrode of gebeurt het op één specifieke elektrode? Dat is wat 3D probeert te krijgen. Je kunt je voorstellen dat het redelijk uitdagend is omdat het ons vereist uit te zoeken hoe die golfvorm te decomponeren in zijn individuele componenten, zoals het interageert met elke enkele laag.

Dus, als volgende stap, wat we doen is betere algoritmes bouwen die ons toelaten de golfvorm te decomponeren in het effect van elke laag. Dat is wat ons naar 3D resolutie zal brengen. We denken dat het mogelijk is omdat dit al een capaciteit is die röntgenstraling heeft. En in sommige gevallen in biomedische wetenschappen, zijn ze in staat geweest de 3D versie te krijgen. Het is absoluut aan de voorhoede van ultrasone technologie, maar dat is waar we naartoe willen.

Tech Briefs: Is er iets anders dat je toe wilt voegen dat ik niet aangeraakt heb?

Chang: Ik wil benadrukken dat ultrasone voor batterijen al bestaat toen ik Ph.D. student was — we ontwikkelden het in mijn oude lab. Dus, echt, de nadruk hier is een relatief nieuwe tool makkelijk te maken voor batterijwetenschappers. En ik wil gewoon benadrukken dat de hoofduitkomst eigenlijk was ons dit platform bouwen bij de batterij, batterij startup SES AI, op hun R&D site; we waren in staat om een van hun ingenieurs te trainen om het dagelijks te gebruiken. Voor mij is dat de meest vruchtbare en motiverende aspekt van ons werk — om het direct vertaald te zien naar industriegebruik. Dus het is niet geïsoleerd tot SES, maar we spreken ook met andere startups en een paar grote automotive fabricagebedrijven die al een ultrasone tool hebben of ernaar op zoek zijn. We spreken met hen om hen te helpen de tool beter te begrijpen en het meer een plug-and-play capaciteit te maken die elk R&D lab en industrie heeft voor batterijen.