Echografie onthult verborgen batterijdefecten:een nieuw diagnostisch hulpmiddel

Andrew Corselli

Een recente toename van batterijgerelateerde branden heeft de aandacht gevestigd op de uitdaging van het identificeren van defecten die deze catastrofale storingen kunnen veroorzaken, maar die zelden met het blote oog zichtbaar zijn. In de hoop de gevaarlijke problemen te voorkomen die ervoor kunnen zorgen dat batterijen oververhit raken en in brand vliegen, hebben onderzoekers van Drexel University een standaard testproces ontwikkeld om fabrikanten een beter inzicht te geven in de interne werking van batterijen.

In een artikel dat onlangs is gepubliceerd in het tijdschrift Electrochimica Acta , presenteerde de groep methoden voor het gebruik van echografie om de elektrochemische en mechanische functies van een batterij te controleren – die onmiddellijk eventuele schade of gebreken aan het licht zouden brengen die tot oververhitting zouden kunnen leiden en zelfs een “thermische runaway” zouden kunnen veroorzaken.

“Hoewel Li-ion-batterijen al bijna een halve eeuw worden bestudeerd en al meer dan 30 jaar op de markt worden gebracht, hebben we pas onlangs instrumenten ontwikkeld die met hoge resolutie naar binnen kunnen kijken”, zegt Wes Chang, Ph.D., assistent-professor, primair onderzoeker, Battery Dynamics Lab aan het Drexel’s College of Engineering, die toezicht hield op het project. "In het bijzonder is echografie pas in de afgelopen tien jaar vanuit andere gebieden, zoals de geofysica en de biomedische wetenschappen, aangepast voor batterijdiagnostiek. Omdat het zo'n nieuwe techniek is in de batterij- en elektrische voertuigindustrie, is het nodig om batterij-ingenieurs te leren hoe het werkt en waarom het nuttig is."

Het recente werk van het team streeft ernaar dit te doen door een goedkoop, toegankelijk ultrasoon instrument op tafel te demonstreren, waarvan het hoopt dat het gemakkelijk kan worden geïmplementeerd en gebruikt door batterij-ingenieurs, inclusief degenen die werken bij autobedrijven die elektrische voertuigen produceren.

Hier is een exclusieve Tech Briefs interview, bewerkt voor lengte en duidelijkheid, met Chang.

Technische slips :Wat was de grootste technische uitdaging waarmee u te maken kreeg?

Wijzigen :We hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor batterijdiagnostiek, en deze is gebaseerd op geluidsgolven. Het past dus echografie aan die normaal gesproken in de biomedische sector wordt gebruikt voor onderzoek naar batterijveroudering. Wat uw vraag betreft:dit is altijd een probleem bij het ontwikkelen van een nieuwe methode:batterijwetenschappers zijn normaal gesproken scheikundigen of materiaalwetenschappers, niet zozeer werktuigbouwkundigen. Echografie is iets dat veel wordt gebruikt in de biomedische wetenschappen en ook in de geofysica, het is eigenlijk een mechanische sonde. De grootste uitdaging voor mij was dus het bouwen van een team met mensen met expertise op het gebied van mechanisch ontwerp en signaalverwerking, en vervolgens proberen die vaardigheden te benutten om iets te bouwen dat de batterijchemie kan meten. Het is een zeer interdisciplinaire onderneming.

Uiteindelijk heb je een tool die de elastische modulus en dichtheid meet, wat gecorreleerd is met de veroudering van de batterij en de batterijprestaties. De uitdaging was om deze techniek gebruiksvriendelijk en begrijpelijk te maken voor batterijwetenschappers.

Technische slips :Heeft u vaste plannen voor verder onderzoek, werk, etc.? Zo niet, wat zijn uw volgende stappen? Waar ga je heen vanaf hier?

Wijzigen :We hebben plannen voor komende werkzaamheden. De methode zoals die er nu uitziet is een 1D- of 2D-techniek. De 1D verwijst naar wanneer je het midden van een slagman scant; je stuurt een geluidsgolf door het midden van de batterij, en terwijl je de batterij laat draaien, verandert die geluidsgolf van vorm. De manier waarop het van vorm verandert, hangt samen met een verandering in de elastische modulus en dichtheid.

Je kunt hetzelfde doen in 2D door simpelweg de elektrode te scannen, en dan krijg je een beeld van de batterij. Het vertelt u dus niet alleen wanneer, maar ook waar iets gebeurt. 3D verwijst dan dus naar de mogelijkheid om niet alleen een scan van de batterij te krijgen, maar ook laag voor laag resolutie. Dit heeft betrekking op de geometrie.

Een batterij ziet er dus van buitenaf vrij eenvoudig uit. Het is net een buidel of zoiets als een cilinder. Maar binnenin zitten veel lagen elektroden die op elkaar zijn gestapeld. Als u een verandering in 2D ziet, schrijft u deze normaal gesproken toe aan een bepaald gebied. Maar de vraag is:is dat een defect of is dat een mogelijke faalwijze. Gebeurt het via elke elektrode of gebeurt het op één specifieke elektrode? Dat is wat 3D probeert te bereiken. Je kunt je voorstellen dat dit een behoorlijke uitdaging is, omdat we moeten uitzoeken hoe we die golfvorm in zijn afzonderlijke componenten kunnen ontbinden, zoals hoe deze met elke afzonderlijke laag interageert.

Dus als volgende stap bouwen we betere algoritmen waarmee we de golfvorm kunnen ontleden in het effect van elke laag. Dat is wat ons naar 3D-resolutie zal brengen. Wij denken dat dit mogelijk is, omdat dit al een mogelijkheid is die röntgenstraling biedt. En in sommige gevallen in de biomedische wetenschappen hebben ze de 3D-versie kunnen bemachtigen. Het bedrijf loopt absoluut voorop op het gebied van ultrasone technologie, maar dat is waar we naartoe willen.

Technische slips :Is er nog iets dat je wilt toevoegen dat ik niet heb genoemd?

Wijzigen :Ik wil benadrukken dat echografie voor batterijen al bestond toen ik promoveerde. student – ​​we waren het aan het ontwikkelen in mijn oude laboratorium. De nadruk ligt hier dus op het gebruiksvriendelijk maken van een relatief nieuw hulpmiddel voor batterijwetenschappers. En ik wil alleen maar benadrukken dat het belangrijkste resultaat feitelijk was dat we dit platform bouwden bij de batterij, batterij-startup SES AI, op hun R&D-site; we hebben een van hun ingenieurs kunnen trainen om het dagelijks te gebruiken. Voor mij is dat het meest vruchtbare en motiverende aspect van ons werk – om te zien dat het rechtstreeks wordt vertaald naar gebruik in de industrie. Het staat dus niet alleen op zichzelf voor SES, maar we spreken ook met andere startups en een paar grote autoproductiebedrijven die al over een echoapparaat beschikken of er een willen aanschaffen. We spreken met hen om hen te helpen de tool beter te begrijpen en er meer een plug-and-play-mogelijkheid van te maken die elk R&D-laboratorium en elke industrie voor batterijen heeft.