Ултразвукът помага за откриване на дефектите в литиево-йонните батерии, преди да се запалят

Изследователи от университета Дрексел във Филаделфия (САЩ) са разработили процес за диагностика на Li-ion-батерии, за да откриват потенциалните вероятни дефекти и да предотвратят тяхното термично прегряване.

Честите пожари, свързани със запалването на литиево-йонни батерии, насочиха вниманието към навременното откриване на дефектите, които причиняват термично претоварване и не могат да бъдат открити с просто око. Изследователите от университета Дрексел са предложили използването на метод за ултразвукова диагностика на електрохимичните процеси вътре в батерията и нейните механични функции.

„Въпреки че литиево-йонните батерии се изучават от близо половин век и са търговски достъпни от над 30 години, едва наскоро разработихме инструменти, които ни позволяват да погледнем отвътре с висока резолюция. Ултразвукът е адаптиран от други области, като геофизика и биомедицински науки, но за диагностиката на батериите е наличен едва през последното десетилетие. Тъй като това е напълно нова технология в индустрията на батериите и електрическите превозни средства, е необходимо да се обучат инженерите по акумулаторни батерии как работи и защо е полезна“ — обяснява д-р Уес Чанг, главен изследовател на Лабораторията за динамика на батериите в Инженерния колеж на Дрексел.

Изследователите са демонстрирали евтино, достъпно настолно ултразвуково устройство, което според тях експертите по батерии, особено тези, които работят в производството на електрическите превозни средства, биха могли да използват. По данни на Consumer Affairs, хората всекидневно използват три до четири устройства, захранвани с батерии, включително смартфони, лаптопи, таблети, ел. инструменти и електрически превозни средства. Надпреварата за производство на батерии за всички тези устройства често води до пускането на пазара на нискокачествени клетки.

„Въпреки че по-голямата част от литиево-йонните батерии днес са високопроизводителни и безопасни, при използването на хиляди клетки в електромобилите, а ежегодно се произвеждат милиони електромобили, дефектите са неизбежни“ — казва Уес Чанг. 

Настоящите процеси за контрол на безопасността и качеството на произведените батерии разчитат предимно на визуалната проверка и тестването на производителността на отделните клетки. Произведените батерии могат да бъдат проверени с рентген, за да се получат изображения на вътрешността с висока резолюция, но това е бавно и скъпо.

Производителите трябва да спазват правилните протоколи за инспекция и тестване, но предвид мащаба на производството, дори незначителен дефект в конструкцията или производството, който не бъде открит рано, може да доведе до пускането на пазара на голяма партида дефектни батерии. Методът, предложен от изследователите от университета в Дрексел, използва ултразвук, който е по-бърз и по-евтин от рентгеновите лъчи.

Учените са използвали сканираща ултразвукова микроскопия, за да изпращат нискоенергийни звукови вълни през батерията. Без да се засягат вътрешните процеси или производителността на акумулатора, скоростта на вълните се променя, докато преминават отвътре през различните материали. Това позволява на изследователите бързо и задълбочено да наблюдават химичните промени вътре в батерията.

Това ни позволява да идентифицираме структурните дефекти или повреди, които биха могли да доведат до късо съединение, както и материалните недостатъци и дисбаланси, които биха могли да повлияят върху производителността. Новият диагностичен метод е много добър в откриването на газ, чието наличие показва сухи зони, които биха могли да доведат до повреда на отделните компоненти.

Чувствителността на ултразвука може също да помогне за оценката на това как новите химически състави на батериите се разрушават в научноизследователските и развойни лаборатории. Екипът си сътрудничи с партньорския стартъп за литиево-метални батерии SES AI, за да проучи процеса. В допълнение към описанието на процеса на ултразвуково тестване, екипът е разработил и софтуер с отворен код за управление на устройството и бърз анализ на данните.

„Учените, занимаващи се с батерии, искат да създават по-добри акумулатори, а не да разработват нови инструменти. Ние предоставяме лесен за използване потребителски интерфейс с редовни софтуерни актуализации. Това допълва съществуващия набор от инструменти, с които учените, занимаващи се с батерии, разполагат, за да измерват и диагностицират производителността на акумулаторите от следващо поколение“ — казва Уес Чанг.