Ultrassom revela defeitos ocultos na bateria:uma nova ferramenta de diagnóstico

André Corselli



Um recente aumento nos incêndios relacionados com baterias chamou a atenção para o desafio de identificar defeitos que podem causar estas avarias catastróficas, mas que raramente são óbvios a olho nu. Na esperança de evitar falhas perigosas que podem causar superaquecimento e incêndio nas baterias, pesquisadores da Universidade Drexel desenvolveram um processo de teste padrão para dar aos fabricantes uma visão melhor do funcionamento interno das baterias.

Em artigo publicado recentemente na revista Electrochimica Acta , o grupo apresentou métodos de uso do ultrassom para monitorar as funções eletroquímicas e mecânicas de uma bateria – o que revelaria imediatamente qualquer dano ou falha que pudesse levar ao superaquecimento e até causar “fuga térmica”.

“Embora as baterias de íon-lítio tenham sido estudadas há quase meio século e comercializadas há mais de 30 anos, só recentemente desenvolvemos ferramentas que podem ver o interior com alta resolução”, disse Wes Chang, Ph.D., professor assistente, investigador primário, Laboratório de Dinâmica de Bateria na Faculdade de Engenharia de Drexel, que supervisionou o projeto. "Em particular, o ultrassom foi adaptado de outros campos, como geofísica e ciências biomédicas, para diagnóstico de baterias apenas na última década. Por ser uma técnica tão nova nas indústrias de baterias e veículos elétricos, é necessário ensinar aos engenheiros de baterias como funciona e por que é útil."

O trabalho recente da equipe se esforça para fazer isso, demonstrando uma ferramenta ultrassônica de bancada acessível e de baixo custo que espera poder ser facilmente implementada e usada por engenheiros de baterias, incluindo aqueles que trabalham em empresas automotivas que produzem VEs.

Aqui está um Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para maior extensão e clareza, com Chang.

Resumos técnicos :Qual foi o maior desafio técnico que você enfrentou?

Mudar :Estamos desenvolvendo uma nova técnica para diagnóstico de baterias, baseada em ondas sonoras. Portanto, está adaptando o ultrassom normalmente utilizado na área biomédica para estudos de envelhecimento de baterias. Para sua pergunta, isso é sempre um problema no desenvolvimento de um novo método:os cientistas de baterias normalmente são químicos ou cientistas de materiais, e não tanto engenheiros mecânicos. O ultrassom é algo comumente usado nas ciências biomédicas e também na geofísica, é na verdade uma sonda mecânica. Portanto, o maior desafio para mim foi construir uma equipe com pessoas com experiência em projetos mecânicos e processamento de sinais e, em seguida, tentar aproveitar essas habilidades para construir algo que pudesse medir a química da bateria. É um empreendimento muito interdisciplinar.

Em última análise, você tem uma ferramenta que mede o módulo de elasticidade e a densidade, que está correlacionado com o envelhecimento e o desempenho da bateria. O desafio era então tornar esta técnica amigável e fácil de entender para os cientistas de baterias.

Resumos técnicos :Você tem planos definidos para futuras pesquisas, trabalhos, etc.? Se não, quais são seus próximos passos? Para onde você vai a partir daqui?

Mudar :Nós estabelecemos planos para os próximos trabalhos. O método tal como está é uma técnica 1D ou 2D. O 1D refere-se a quando você examina o centro de uma massa; você envia uma onda sonora através do centro da bateria e, à medida que a bateria é alternada, essa onda sonora muda de forma. A maneira como ele muda de forma está correlacionada a uma mudança no módulo elástico e na densidade.

Você pode fazer a mesma coisa em 2D apenas escaneando o eletrodo e obtendo uma imagem da bateria. Então, ele informa não apenas quando, mas também onde algo está acontecendo. Portanto, 3D refere-se à capacidade não apenas de obter uma varredura da bateria, mas também de resolução camada por camada. Isso se refere à geometria.

Então, uma bateria, vista de fora, parece bem simples. É como uma bolsa ou algo parecido com um cilindro. Mas por dentro há muitas camadas de eletrodos empilhados. Se você observar uma mudança em 2D, normalmente a atribui a alguma área. Mas a questão é:isso é um defeito ou é um possível modo de falha. Isso está acontecendo em todos os eletrodos ou em um eletrodo específico? É isso que o 3D tenta chegar. Você pode imaginar que é bastante desafiador porque exige que descubramos como decompor essa forma de onda em seus componentes individuais, por exemplo, como ela interage com cada camada.

Então, como próximo passo, o que estamos fazendo é construir algoritmos melhores que nos permitam decompor a forma de onda no efeito de cada camada. É isso que nos levará à resolução 3D. Achamos que é possível porque esta já é uma capacidade que os raios X possuem. E, em alguns casos nas ciências biomédicas, conseguiram obter a versão 3D. Está definitivamente na vanguarda da tecnologia de ultrassom, mas é onde queremos estar.

Resumos técnicos :Há mais alguma coisa que você gostaria de acrescentar que eu não mencionei?

Mudar :Quero enfatizar que o ultrassom para baterias já existia desde quando eu era Ph.D. aluno - estávamos desenvolvendo em meu antigo laboratório. Então, na verdade, a ênfase aqui é tornar uma ferramenta relativamente nova fácil de usar para cientistas de baterias. E só quero enfatizar que o principal resultado foi basicamente construirmos essa plataforma na bateria, a startup de bateria SES AI, em seu site de P&D; conseguimos treinar um de seus engenheiros para usá-lo diariamente. Para mim, esse é o aspecto mais frutífero e motivador do nosso trabalho:vê-lo sendo traduzido diretamente para uso na indústria. Portanto, não estamos apenas falando da SES, mas também estamos conversando com outras startups e algumas grandes empresas automotivas que já possuem uma ferramenta de ultrassom ou estão procurando uma. Estamos conversando com eles para ajudá-los a entender melhor a ferramenta e torná-la mais parecida com um recurso plug-and-play que qualquer laboratório de P&D e indústria possui para baterias.