Les ultrasons révèlent les défauts cachés des batteries : un nouvel outil de diagnostic

Andrew Corselli

Contexte : incendies de batteries et détection de défauts

Une récente augmentation des incendies liés aux batteries a attiré l'attention sur le défi d'identifier les défauts qui peuvent causer ces dysfonctionnements catastrophiques mais sont rarement évidents à l'œil nu. Dans l'espoir de prévenir les pannes dangereuses qui peuvent causer la surchauffe et l'incendie des batteries, des chercheurs de l'Université Drexel ont développé un processus de test standardisé pour donner aux fabricants une meilleure vue du fonctionnement interne des batteries.

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

Wes Chang, Ph.D., Professeur Assistant, Chercheur Principal, Laboratoire Dynamique des Batteries au Collège d'Ingénierie de Drexel, qui a supervisé le projet : « Bien que les batteries Li-ion aient été étudiées depuis près d'un demi-siècle et commercialisées depuis plus de 30 ans, nous n'avons développé que récemment des outils qui peuvent voir à l'intérieur avec une haute résolution. En particulier, les ultrasons ont été adaptés d'autres domaines, comme la géophysique et les sciences biomédicales, pour le diagnostic des batteries seulement dans la dernière décennie. Parce que c'est une technique si nouvelle dans les industries de la batterie et des véhicules électriques, il y a un besoin d'enseigner aux ingénieurs batteries comment ça marche et pourquoi c'est utile. »

Outil de banc à faible coût et accessible

Le travail récent de l'équipe s'efforce de faire cela en démontrant un outil ultrasonique de banc à faible coût et accessible qu'il espère pouvoir être facilement implémenté et utilisé par les ingénieurs batteries, y compris ceux qui travaillent dans des entreprises automobiles produisant des VE.

Entretien exclusif Tech Briefs avec Chang

Tech Briefs : Quel a été le plus grand défi technique que vous avez rencontré ?

Chang : Nous développons une nouvelle technique pour le diagnostic des batteries, et elle est basée sur les ondes sonores. Donc, c'est adapter les ultrasons normalement utilisés dans le domaine biomédical pour les études de vieillissement des batteries. Pour votre question, c'est toujours un problème avec le développement d'une nouvelle méthode : les scientifiques des batteries sont normalement des chimistes ou des scientifiques des matériaux, pas tant des ingénieurs mécaniques. Les ultrasons sont quelque chose qui est couramment utilisé dans les sciences biomédicales et aussi utilisé en géophysique, c'est vraiment une sonde mécanique. Donc, le plus grand défi pour moi était de construire une équipe qui a des gens avec expertise en conception mécanique et traitement du signal et puis d'essayer de tirer parti de ces compétences pour construire quelque chose qui peut mesurer la chimie de la batterie. C'est une entreprise très transversale.

Finalement, vous avez un outil qui mesure le module d'élasticité et la densité, ce qui est corrélé avec le vieillissement et la performance de la batterie. Le défi était ensuite de rendre cette technique conviviale et facile à comprendre pour les scientifiques des batteries.

Tech Briefs : Avez-vous des plans définis pour de futurs travaux de recherche, etc. ? Sinon, quelles sont vos prochaines étapes ? Où allez-vous à partir d'ici ?

Chang : Nous avons des plans définis pour les travaux à venir. La méthode telle qu'elle existe est soit une technique 1D ou 2D. Le 1D fait référence à quand vous scannez le centre d'une batterie ; vous envoyez une onde sonore à travers le centre de la batterie, et, pendant que vous cycler la batterie, cette onde sonore change de forme. La façon dont elle change de forme est corrélée à un changement de module d'élasticité et de densité.

Vous pouvez faire la même chose en 2D en scannant juste l'électrode, et cela vous donne une image de la batterie. Donc, cela vous dit non seulement quand mais aussi où quelque chose se passe. Donc, la 3D fait alors référence à la capacité de non seulement obtenir un scan de la batterie mais aussi une résolution couche par couche. Cela fait référence à la géométrie.

Donc, une batterie, de l'extérieur, a l'air assez simple. C'est comme une poche ou quelque chose comme un cylindre. Mais à l'intérieur, ce sont de nombreuses couches d'électrodes qui sont empilées ensemble. Si vous voyez un changement en 2D, vous l'attribuez normalement à une certaine zone. Mais la question est : est-ce un défaut ou est-ce un mode de défaillance possible. Est-ce que cela se produit à travers chaque électrode ou sur une électrode spécifique ? C'est ce que la 3D essaie d'atteindre. Vous pouvez imaginer que c'est assez difficile car cela nous oblige à comprendre comment décomposer cette forme d'onde en ses composants individuels, comme comment elle interagit avec chaque couche individuelle.

Donc, en tant que prochaine étape, ce que nous faisons est de construire de meilleurs algorithmes qui nous permettent de décomposer la forme d'onde en l'effet de chaque couche. C'est ce qui nous amènera à la résolution 3D. Nous pensons que c'est possible car c'est déjà une capacité que les rayons X ont. Et, dans certains cas en sciences biomédicales, ils ont pu obtenir la version 3D. C'est définitivement à l'avant-garde de la technologie ultrasonique, mais c'est là que nous voulons être.

Tech Briefs : Y a-t-il quelque chose d'autre que vous aimeriez ajouter que je n'ai pas abordé ?

Chang : Je veux souligner que les ultrasons pour les batteries existent depuis même quand j'étais doctorant — nous les développions dans mon ancien laboratoire. Donc, vraiment, l'accent ici est de rendre un outil relativement nouveau facile à utiliser pour les scientifiques des batteries. Et je veux juste souligner que le principal résultat était essentiellement de construire cette plateforme chez la startup batterie SES AI, sur leur site R&D ; nous avons pu former l'un de leurs ingénieurs à l'utiliser quotidiennement. Pour moi, c'est l'aspect le plus fructueux et motivant de notre travail — de le voir directement traduit en utilisation industrielle. Donc, ce n'est pas seulement isolé à SES, mais nous parlons aussi avec d'autres startups et quelques grandes entreprises de fabrication automobile qui ont déjà un outil ultrasonique ou cherchent à en avoir un. Nous leur parlons pour les aider à mieux comprendre l'outil et le rendre plus comme une capacité plug-and-play que n'importe quel laboratoire R&D et l'industrie a pour les batteries.