L'échographie révèle des défauts cachés de la batterie :un nouvel outil de diagnostic

Andrew Corselli

Une récente recrudescence des incendies liés aux batteries a attiré l'attention sur la difficulté d'identifier les défauts qui peuvent provoquer ces dysfonctionnements catastrophiques mais qui sont rarement évidents à l'œil nu. Dans l'espoir d'éviter les problèmes dangereux qui peuvent provoquer une surchauffe et un incendie des batteries, des chercheurs de l'Université Drexel ont développé un processus de test standard pour permettre aux fabricants de mieux comprendre le fonctionnement interne des batteries.

Dans un article récemment publié dans la revue Electrochimica Acta , le groupe a présenté des méthodes permettant d'utiliser les ultrasons pour surveiller les fonctions électrochimiques et mécaniques d'une batterie, ce qui révélerait immédiatement tout dommage ou défaut pouvant entraîner une surchauffe et même provoquer un « emballement thermique ».

"Alors que les batteries Li-ion sont étudiées depuis près d'un demi-siècle et commercialisées depuis plus de 30 ans, nous n'avons développé que récemment des outils capables de voir l'intérieur avec une haute résolution", a déclaré Wes Chang, Ph.D., professeur adjoint et chercheur principal au laboratoire de dynamique des batteries du Collège d'ingénierie de Drexel, qui a supervisé le projet. "En particulier, les ultrasons n'ont été adaptés d'autres domaines, tels que la géophysique et les sciences biomédicales, pour le diagnostic des batteries qu'au cours de la dernière décennie. Parce qu'il s'agit d'une technique très nouvelle dans les industries des batteries et des véhicules électriques, il est nécessaire d'enseigner aux ingénieurs en batteries comment cela fonctionne et pourquoi il est utile. "

Les travaux récents de l'équipe s'efforcent d'y parvenir en démontrant un outil à ultrasons de table peu coûteux et accessible qui, espère-t-elle, pourra être facilement mis en œuvre et utilisé par les ingénieurs en batteries, y compris ceux qui travaillent dans les constructeurs automobiles produisant des véhicules électriques.

Voici un Tech Briefs exclusif entretien, édité pour plus de longueur et de clarté, avec Chang.

Notes techniques :Quel a été le plus grand défi technique auquel vous avez été confronté ?

Chang :Nous avons développé une nouvelle technique de diagnostic des batteries, basée sur les ondes sonores. Il s'agit donc d'adapter les ultrasons normalement utilisés dans le domaine biomédical aux études sur le vieillissement des batteries. Pour répondre à votre question, le développement d'une nouvelle méthode pose toujours un problème :les scientifiques spécialisés dans les batteries sont généralement des chimistes ou des spécialistes des matériaux, et non des ingénieurs en mécanique. L'échographie est quelque chose qui est couramment utilisé dans les sciences biomédicales et également en géophysique, c'est en réalité une sonde mécanique. Le plus grand défi pour moi a donc été de constituer une équipe composée de personnes possédant une expertise en conception mécanique et en traitement du signal, puis d'essayer de tirer parti de ces compétences pour créer quelque chose capable de mesurer la chimie des batteries. C'est une entreprise très interdisciplinaire.

En fin de compte, vous disposez d’un outil qui mesure le module d’élasticité et la densité, qui sont corrélés au vieillissement et aux performances de la batterie. Le défi consistait alors à rendre cette technique conviviale et facile à comprendre pour les scientifiques spécialisés dans les batteries.

Notes techniques :Avez-vous des projets précis pour des recherches, des travaux, etc. ultérieurs ? Si non, quelles sont vos prochaines étapes ? Où vas-tu à partir d'ici ?

Chang :Nous avons établi des plans pour les travaux à venir. La méthode telle qu’elle est est une technique 1D ou 2D. Le 1D fait référence au moment où vous scannez le centre d’un frappeur ; vous envoyez une onde sonore à travers le centre de la batterie et, au fur et à mesure que vous faites fonctionner la batterie, cette onde sonore change de forme. La façon dont il change de forme est corrélée à un changement de module élastique et de densité.

Vous pouvez faire la même chose en 2D en scannant simplement l’électrode, ce qui vous donne une image de la batterie. Ainsi, il vous indique non seulement quand mais aussi où quelque chose se passe. Ainsi, la 3D fait alors référence à la possibilité d’obtenir non seulement une analyse de la batterie, mais également une résolution couche par couche. Cela fait référence à la géométrie.

Ainsi, une batterie, vue de l’extérieur, semble assez simple. C'est comme une pochette ou quelque chose comme un cylindre. Mais à l’intérieur, de nombreuses couches d’électrodes sont empilées. Si vous constatez un changement en 2D, vous l'attribuez normalement à une zone. Mais la question est de savoir s’il s’agit d’un défaut ou d’un mode de défaillance possible. Est-ce que cela se produit à travers chaque électrode ou est-ce que cela se produit sur une électrode spécifique ? C'est ce à quoi la 3D tente de parvenir. Vous pouvez imaginer que c'est assez difficile car cela nous oblige à comprendre comment décomposer cette forme d'onde en ses composants individuels, par exemple comment elle interagit avec chaque couche.

Ainsi, dans la prochaine étape, nous construisons de meilleurs algorithmes qui nous permettent de décomposer la forme d'onde en effet de chaque couche. C'est ce qui nous amènera à la résolution 3D. Nous pensons que c'est possible parce que c'est déjà une capacité que possèdent les rayons X. Et, dans certains cas, en sciences biomédicales, ils ont pu obtenir la version 3D. Nous sommes définitivement à la pointe de la technologie des ultrasons, mais c'est là que nous voulons être.

Notes techniques :Y a-t-il autre chose que vous aimeriez ajouter et que je n'ai pas abordé ?

Chang :Je tiens à souligner que les ultrasons pour batteries existaient même lorsque j'étais doctorant. étudiant - nous le développions dans mon ancien laboratoire. Donc, en réalité, l’accent est mis ici sur la création d’un outil relativement nouveau, facile à utiliser pour les scientifiques spécialisés dans les batteries. Et je tiens juste à souligner que le résultat principal a été essentiellement la construction de cette plate-forme au niveau de la batterie, de la start-up de batteries SES AI , sur leur site de R&D ; nous avons pu former un de leurs ingénieurs à son utilisation au quotidien. Pour moi, c’est l’aspect le plus fructueux et le plus motivant de notre travail :le voir directement transposé dans l’usage de l’industrie. Ce n'est donc pas seulement limité à SES, mais nous discutons également avec d'autres startups et quelques grandes entreprises de fabrication automobile qui disposent déjà d'un outil à ultrasons ou cherchent à en obtenir un. Nous discutons avec eux pour les aider à mieux comprendre l'outil et à en faire une fonctionnalité plug-and-play dont disposent tout laboratoire de R&D et toute industrie pour les batteries.