Ultraschall deckt versteckte Batteriedefekte auf:Ein neues Diagnosetool

Andrew Corselli

Ein jüngster Anstieg von batteriebedingten Bränden hat die Aufmerksamkeit auf die Herausforderung gelenkt, Defekte zu identifizieren, die diese katastrophalen Fehlfunktionen verursachen können, aber mit bloßem Auge selten erkennbar sind. In der Hoffnung, die gefährlichen Störungen zu verhindern, die dazu führen können, dass Batterien überhitzen und Feuer fangen, haben Forscher der Drexel University ein Standardtestverfahren entwickelt, um Herstellern einen besseren Einblick in die interne Funktionsweise von Batterien zu geben.

In einem kürzlich in der Zeitschrift Electrochimica Acta veröffentlichten Artikel , stellte die Gruppe Methoden zur Verwendung von Ultraschall zur Überwachung der elektrochemischen und mechanischen Funktionen einer Batterie vor – die sofort alle Schäden oder Fehler aufdecken würden, die zu Überhitzung und sogar zu einem „thermischen Durchgehen“ führen könnten.

„Während Li-Ionen-Batterien seit fast einem halben Jahrhundert erforscht und seit über 30 Jahren kommerzialisiert werden, haben wir erst vor kurzem Werkzeuge entwickelt, die mit hoher Auflösung ins Innere sehen können“, sagte Wes Chang, Ph.D., Assistenzprofessor, Primärforscher, Battery Dynamics Lab am Drexel College of Engineering, der das Projekt betreute. „Insbesondere Ultraschall wurde erst im letzten Jahrzehnt aus anderen Bereichen wie der Geophysik und den biomedizinischen Wissenschaften für die Batteriediagnose übernommen. Da es sich um eine so neue Technik in der Batterie- und Elektrofahrzeugindustrie handelt, besteht die Notwendigkeit, Batterieingenieuren beizubringen, wie sie funktioniert und warum sie nützlich ist.“

Die jüngste Arbeit des Teams zielt darauf ab, dies zu erreichen, indem es ein kostengünstiges, zugängliches Ultraschall-Tischgerät vorstellt, von dem es hofft, dass es von Batterieingenieuren, einschließlich denen, die bei Automobilunternehmen arbeiten, die Elektrofahrzeuge herstellen, leicht implementiert und verwendet werden kann.

Hier ist ein exklusiver Tech Briefs Interview, aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet, mit Chang.

Technische Kurzinformationen :Was war die größte technische Herausforderung für Sie?

Chang :Wir haben eine neue Technik zur Batteriediagnose entwickelt, die auf Schallwellen basiert. Es handelt sich also um eine Adaption des Ultraschalls, der normalerweise im biomedizinischen Bereich für Studien zur Batteriealterung verwendet wird. Zu Ihrer Frage:Dies ist immer ein Problem bei der Entwicklung einer neuen Methode:Batteriewissenschaftler sind normalerweise Chemiker oder Materialwissenschaftler, nicht so sehr Maschinenbauingenieure. Ultraschall ist etwas, das häufig in den biomedizinischen Wissenschaften und auch in der Geophysik verwendet wird. Dabei handelt es sich in Wirklichkeit um eine mechanische Sonde. Die größte Herausforderung für mich bestand also darin, ein Team aufzubauen, das über Fachkenntnisse in mechanischem Design und Signalverarbeitung verfügt, und dann zu versuchen, diese Fähigkeiten zu nutzen, um etwas zu entwickeln, das die Batteriechemie messen kann. Es ist ein sehr interdisziplinäres Unterfangen.

Letztendlich verfügen Sie über ein Tool, das den Elastizitätsmodul und die Dichte misst, die mit der Batteriealterung und der Batterieleistung korrelieren. Die Herausforderung bestand dann darin, diese Technik für Batteriewissenschaftler benutzerfreundlich und leicht verständlich zu gestalten.

Technische Kurzinformationen :Haben Sie feste Pläne für weitere Forschung, Arbeit usw.? Wenn nicht, was sind Ihre nächsten Schritte? Wohin gehst du von hier aus?

Chang :Wir haben feste Pläne für die bevorstehenden Arbeiten. Die derzeitige Methode ist entweder eine 1D- oder eine 2D-Technik. Die 1D bezieht sich darauf, wenn Sie die Mitte eines Schlagmanns scannen; Sie senden eine Schallwelle durch die Mitte der Batterie, und wenn Sie die Batterie wechseln, ändert diese Schallwelle ihre Form. Die Art und Weise, wie es seine Form ändert, hängt mit einer Änderung des Elastizitätsmoduls und der Dichte zusammen.

Das Gleiche können Sie in 2D tun, indem Sie einfach die Elektrode scannen und so ein Bild der Batterie erhalten. So erfahren Sie nicht nur, wann, sondern auch, wo etwas passiert. 3D bezieht sich also auf die Möglichkeit, nicht nur einen Scan der Batterie, sondern auch eine schichtweise Auflösung zu erhalten. Dies bezieht sich auf die Geometrie.

Von außen sieht eine Batterie also ziemlich einfach aus. Es ist wie ein Beutel oder so etwas wie ein Zylinder. Aber im Inneren sind es viele Schichten von Elektroden, die übereinander gestapelt sind. Wenn Sie eine Änderung in 2D sehen, führen Sie diese normalerweise auf einen bestimmten Bereich zurück. Die Frage ist jedoch, ob es sich dabei um einen Defekt handelt oder ob es sich dabei um einen möglichen Fehlermodus handelt. Geschieht es an jeder Elektrode oder nur an einer bestimmten Elektrode? Genau das versucht 3D zu erreichen. Sie können sich vorstellen, dass es eine ziemliche Herausforderung darstellt, da wir herausfinden müssen, wie wir diese Wellenform in ihre einzelnen Komponenten zerlegen können, beispielsweise wie sie mit jeder einzelnen Ebene interagiert.

Als nächsten Schritt entwickeln wir also bessere Algorithmen, die es uns ermöglichen, die Wellenform in die Wirkung jeder Ebene zu zerlegen. Das bringt uns zur 3D-Auflösung. Wir halten es für möglich, da Röntgenstrahlen bereits über diese Fähigkeit verfügen. Und in einigen Fällen in den biomedizinischen Wissenschaften konnten sie die 3D-Version erhalten. Es ist definitiv führend in der Ultraschalltechnologie, aber genau dort wollen wir sein.

Technische Kurzinformationen :Gibt es noch etwas, das Sie hinzufügen möchten, das ich nicht angesprochen habe?

Chang :Ich möchte betonen, dass es Ultraschall für Batterien schon gab, als ich noch promovierte. Student – ​​wir haben es in meinem alten Labor entwickelt. Der Schwerpunkt liegt hier also darauf, ein relativ neues Werkzeug für Batteriewissenschaftler benutzerfreundlich zu gestalten. Und ich möchte nur betonen, dass das Hauptergebnis im Wesentlichen darin bestand, dass wir diese Plattform beim Batterie-Startup SES AI am Forschungs- und Entwicklungsstandort aufgebaut haben. Wir konnten einen ihrer Ingenieure darin schulen, es täglich zu nutzen. Für mich ist das der fruchtbarste und motivierendste Aspekt unserer Arbeit – zu sehen, wie sie direkt in die Industrie umgesetzt wird. Es betrifft also nicht nur SES, sondern wir sprechen auch mit anderen Startups und einigen großen Automobilherstellern, die entweder bereits über ein Ultraschallgerät verfügen oder auf der Suche nach einem sind. Wir sprechen mit ihnen, um ihnen zu helfen, das Tool besser zu verstehen und es eher zu einer Plug-and-Play-Funktion zu machen, die jedes Forschungs- und Entwicklungslabor und jede Industrie für Batterien bietet.