Ultraschall deckt verborgene Batteriedefekte auf: Neues Diagnosewerkzeug

Andrew Corselli

Ein jüngster Anstieg batteriebedingter Brände hat die Aufmerksamkeit auf die Herausforderung gelenkt, Defekte zu identifizieren, die diese katastrophalen Fehlfunktionen verursachen können, aber selten mit bloßem Auge offensichtlich sind. In der Hoffnung, die gefährlichen Glitches zu verhindern, die Batterien überhitzen und in Brand setzen können, haben Forscher der Drexel University einen standardisierten Testprozess entwickelt, um Herstellern einen besseren Blick auf die inneren Abläufe von Batterien zu geben.

Ultraschall für Batteriediagnostik

In einem kürzlich im Journal Electrochimica Acta veröffentlichten Paper präsentierte die Gruppe Methoden zur Nutzung von Ultraschall zur Überwachung der elektrochemischen und mechanischen Funktionen einer Batterie – was sofort Schäden oder Fehler offenbaren würde, die zu Überhitzung und sogar „thermal runaway“ führen könnten.

„Während Li-Ionen-Batterien seit fast einem halben Jahrhundert erforscht und seit über 30 Jahren kommerzialisiert wurden, haben wir erst kürzlich Werkzeuge entwickelt, die mit hoher Auflösung hineinschauen können“, sagt Wes Chang, Ph.D., Assistant Professor, Primary Investigator, Battery Dynamics Lab in Drexels College of Engineering, der das Projekt betreute. „Insbesondere wurde Ultraschall aus anderen Feldern wie Geophysik und biomedizinischen Wissenschaften erst im letzten Jahrzehnt für Batteriediagnostik adaptiert. Da es eine so neue Technik in der Batterie- und EV-Industrie ist, besteht Bedarf, Batterieingenieure zu lehren, wie es funktioniert und warum es nützlich ist.“

Die jüngste Arbeit des Teams strebt dies an, indem sie ein kostengünstiges, zugängliches Tisch-Ultraschallwerkzeug demonstriert, das sie hoffen, einfach von Batterieingenieuren implementiert und genutzt werden kann – einschließlich solcher, die bei Automobilunternehmen arbeiten, die EVs produzieren.

Exklusives Tech-Briefs-Interview mit Chang

Tech Briefs: Was war die größte technische Herausforderung?

Chang: Wir entwickeln eine neue Technik für Batteriediagnostik, basierend auf Schallwellen. Also Ultraschall, normalerweise im biomedizinischen Bereich genutzt, für Batterie-Alterungsstudien adaptieren. Zu Ihrer Frage: Das ist immer ein Problem bei der Entwicklung einer neuen Methode: Batteriewissenschaftler sind normalerweise Chemiker oder Materialwissenschaftler, nicht so sehr Maschinenbauer. Ultraschall ist etwas, das in biomedizinischen Wissenschaften und Geophysik üblich ist – es ist wirklich eine mechanische Sonde. Die größte Herausforderung für mich war, ein Team aufzubauen, das Leute mit Expertise in mechanischem Design und Signalverarbeitung hat, und dann zu versuchen, diese Skills zu nutzen, um etwas zu bauen, das Batteriechemie messen kann. Es ist ein sehr interdisziplinäres Unterfangen.

Letztlich haben Sie ein Werkzeug, das Elastizitätsmodul und Dichte misst, was mit Batteriealterung und -leistung korreliert. Die Herausforderung war dann, diese Technik benutzerfreundlich und verständlich für Batteriewissenschaftler zu machen.

Tech Briefs: Haben Sie konkrete Pläne für weitere Forschung? Wenn nicht, was sind die nächsten Schritte?

Chang: Wir haben konkrete Pläne für kommende Arbeit. Die Methode wie sie steht ist entweder 1D oder 2D. 1D bezieht sich auf das Scannen des Batteriezentrums: Man sendet eine Schallwelle durch das Zentrum der Batterie, und während man die Batterie zykliert, ändert diese Schallwelle ihre Form. Wie sie sich ändert, korreliert mit Änderungen im Elastizitätsmodul und der Dichte.

Man kann dasselbe in 2D machen, indem man nur die Elektrode scannt, und das gibt ein Bild der Batterie. Es sagt also nicht nur wann, sondern auch wo etwas passiert. 3D bezieht sich dann auf die Fähigkeit, nicht nur einen Scan der Batterie zu bekommen, sondern auch Schicht-für-Schicht-Auflösung. Das bezieht sich auf die Geometrie.

Eine Batterie von außen sieht ziemlich einfach aus – wie ein Pouch oder Zylinder. Aber innen sind viele Elektrodenschichten übereinander gestapelt. Wenn man eine Änderung in 2D sieht, schreibt man sie normalerweise einem Bereich zu. Aber die Frage ist: Ist das ein Defekt oder ein möglicher Failure Mode? Passiert es durch jede Elektrode oder auf einer spezifischen? Das versucht 3D zu klären. Man kann sich vorstellen, dass es ziemlich herausfordernd ist, weil es erfordert, herauszufinden, wie man die Wellenform in ihre individuellen Komponenten zerlegt – wie sie mit jeder einzelnen Schicht interagiert.

Als nächsten Schritt bauen wir bessere Algorithmen, die es uns erlauben, die Wellenform in den Effekt jeder Schicht zu zerlegen. Das wird uns zur 3D-Auflösung bringen. Wir denken, es ist möglich, weil das bereits eine Fähigkeit ist, die Röntgen haben. Und in einigen Fällen in biomedizinischen Wissenschaften konnten sie die 3D-Version bekommen. Es ist definitiv an der Spitze der Ultraschalltechnologie, aber da wollen wir hin.

Tech Briefs: Gibt es noch etwas, das Sie hinzufügen möchten, worauf ich nicht eingegangen bin?

Chang: Ich möchte betonen, dass Ultraschall für Batterien schon da war, als ich Ph.D.-Student war – wir entwickelten es in meinem alten Labor. Der Fokus hier ist also, ein relativ neues Werkzeug für Batteriewissenschaftler einfach nutzbar zu machen. Und ich möchte nur betonen, dass das Hauptergebnis im Grunde war, dass wir diese Plattform beim Batterie-Startup SES AI an ihrem R&D-Standort gebaut haben; wir konnten einen ihrer Ingenieure trainieren, es täglich zu nutzen. Für mich ist das der fruchtbarste und motivierendste Aspekt unserer Arbeit – zu sehen, wie es direkt in industrielle Nutzung übersetzt wird. Es ist nicht nur auf SES isoliert, sondern wir sprechen auch mit anderen Startups und einigen großen Automobilherstellern, die entweder bereits ein Ultraschallwerkzeug haben oder eines suchen. Wir sprechen mit ihnen, um ihnen zu helfen, das Werkzeug besser zu verstehen und es mehr zu einer Plug-and-Play-Fähigkeit zu machen, die jedes R&D-Labor und jede Industrie für Batterien hat.