Ultrassom Revela Defeitos Ocultos em Baterias: Nova Ferramenta de Diagnóstico

Andrew Corselli

Contexto: Incêndios em Baterias e Necessidade de Diagnóstico

Recente aumento em incêndios relacionados a baterias chamou atenção para desafio de identificar defeitos que podem causar falhas catastróficas mas raramente são óbvios a olho nu. Na esperança de prevenir falhas perigosas que causam superaquecimento e incêndio em baterias, pesquisadores da Drexel University desenvolveram processo de teste padrão para dar fabricantes melhor visão do funcionamento interno de baterias.

Em artigo publicado recentemente no jornal Electrochimica Acta, grupo apresentou métodos para usar ultrassom para monitorar funções eletroquímicas e mecânicas de bateria — o que revelaria imediatamente qualquer dano ou falha que poderia levar a superaquecimento e até causar "thermal runaway" (fuga térmica).

"Embora baterias Li-ion tenham sido estudadas por quase meio século e comercializadas por mais de 30 anos, só recentemente desenvolvemos ferramentas que podem ver dentro com alta resolução," disse Wes Chang, Ph.D., Professor Assistente, Investigador Principal, Battery Dynamics Lab no College of Engineering da Drexel, que supervisionou projeto. "Em particular, ultrassom foi adaptado de outros campos, como geofísica e ciências biomédicas, para diagnóstico de bateria apenas na última década. Por ser técnica tão nova nas indústrias de bateria e veículos elétricos, há necessidade de ensinar engenheiros de bateria como funciona e por que é útil."

Trabalho recente da equipe busca fazer isso demonstrando ferramenta ultrassônica de bancada de baixo custo e acessível que espera possa ser facilmente implementada e usada por engenheiros de bateria, incluindo os que trabalham em empresas automotivas produzindo EVs.

Entrevista Exclusiva Tech Briefs com Wes Chang

Tech Briefs: Qual foi maior desafio técnico que enfrentaram?

Chang: Estamos desenvolvendo nova técnica para diagnóstico de bateria, baseada em ondas sonoras. Então, adaptar ultrassom normalmente usado em campo biomédico para estudos de envelhecimento de bateria. Para sua pergunta, este é sempre problema ao desenvolver novo método: Cientistas de bateria são normalmente químicos ou cientistas de materiais, não tanto engenheiros mecânicos. Ultrassom é algo comumente usado em ciências biomédicas e também em geofísica, é realmente sonda mecânica. Então, maior desafio para mim foi construir equipe com expertise em design mecânico e processamento de sinal e tentar alavancar essas habilidades para construir algo que meça química de bateria. É empreendimento muito interdisciplinar.

No fim, você tem ferramenta que mede módulo elástico e densidade, que correlaciona com envelhecimento e desempenho de bateria. Desafio foi então tornar esta técnica amigável e fácil de entender para cientistas de bateria.

Tech Briefs: Têm planos definidos para pesquisa futura, trabalho, etc.? Se não, quais próximos passos? Para onde vão daqui?

Chang: Temos planos definidos para trabalho vindouro. Método como está é técnica 1D ou 2D. 1D refere-se a quando escaneia centro de bateria; envia onda sonora através do centro da bateria, e, conforme cicla bateria, onda sonora muda forma. Maneira como muda forma correlaciona com mudança em módulo elástico e densidade.

Pode fazer mesma coisa em 2D apenas escaneando eletrodo, e isso dá imagem da bateria. Então diz não apenas quando mas também onde algo está acontecendo. 3D refere-se à capacidade de não apenas obter escaneamento da bateria mas também resolução camada por camada. Isso refere-se à geometria.

Bateria, por fora, parece bem simples. É como bolsa ou cilindro. Mas por dentro são muitas camadas de eletrodos empilhadas. Se vê mudança em 2D, normalmente atribui a alguma área. Mas pergunta é: é defeito ou modo de falha possível. Está acontecendo através de todos eletrodos ou em um específico? Isso que 3D tenta alcançar. Imagina que é bastante desafiador porque requer descobrir como decompor forma de onda em componentes individuais, como interage com cada camada.

Como próximo passo, estamos construindo melhores algoritmos que permitem decompor forma de onda no efeito de cada camada. Isso nos levará à resolução 3D. Acreditamos ser possível porque esta já é capacidade que raios-X têm. E, em alguns casos em ciências biomédicas, conseguiram versão 3D. Definitivamente na vanguarda da tecnologia de ultrassom, mas é onde queremos estar.

Tech Briefs: Há algo mais que gostaria de adicionar que não toquei?

Chang: Quero enfatizar que ultrassom para baterias existe desde quando era doutorando — estávamos desenvolvendo em meu laboratório antigo. Então, ênfase aqui é tornar ferramenta relativamente nova fácil de usar para cientistas de bateria. E só quero enfatizar que resultado principal foi basicamente nós construindo esta plataforma na startup de bateria SES AI, em seu site de P&D; conseguimos treinar um de seus engenheiros para usá-la diariamente. Para mim, este é aspecto mais frutífero e motivador de nosso trabalho — ver tradução direta para uso industrial. Não isolado à SES, mas também falando com outras startups e algumas grandes empresas automotivas que já têm ferramenta de ultrassom ou buscam obter uma. Falamos com eles para ajudá-los entender ferramenta melhor e torná-la mais capacidade plug-and-play que qualquer laboratório de P&D e indústria tem para baterias.