El ultrasonido revela defectos ocultos en la batería:una nueva herramienta de diagnóstico

Andrés Corselli

Un reciente aumento de los incendios relacionados con baterías ha llamado la atención sobre el desafío de identificar defectos que pueden causar estos fallos catastróficos pero que rara vez son evidentes a simple vista. Con la esperanza de prevenir fallos peligrosos que pueden causar que las baterías se sobrecalienten y se incendien, investigadores de la Universidad de Drexel han desarrollado un proceso de prueba estándar para brindar a los fabricantes una mejor visión del funcionamiento interno de las baterías.

En un artículo publicado recientemente en la revista Electrochimica Acta , el grupo presentó métodos para usar ultrasonido para monitorear las funciones electroquímicas y mecánicas de una batería, lo que revelaría inmediatamente cualquier daño o falla que pudiera provocar un sobrecalentamiento e incluso causar una "fuga térmica".

"Si bien las baterías de iones de litio se han estudiado durante casi medio siglo y se han comercializado durante más de 30 años, sólo recientemente hemos desarrollado herramientas que pueden ver el interior con alta resolución", afirmó Wes Chang, Ph.D., profesor asistente e investigador principal del Laboratorio de Dinámica de Baterías de la Facultad de Ingeniería de Drexel, quien supervisó el proyecto. "En particular, el ultrasonido se ha adaptado de otros campos, como la geofísica y las ciencias biomédicas, para el diagnóstico de baterías apenas en la última década. Debido a que es una técnica tan nueva en las industrias de baterías y vehículos eléctricos, es necesario enseñar a los ingenieros de baterías cómo funciona y por qué es útil".

El trabajo reciente del equipo se esfuerza por lograr esto mediante la demostración de una herramienta ultrasónica de mesa accesible y de bajo costo que se espera que los ingenieros de baterías puedan implementar y utilizar fácilmente, incluidos aquellos que trabajan en empresas automotrices que producen vehículos eléctricos.

Aquí hay un Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para mayor extensión y claridad, con Chang.

Resúmenes técnicos :¿Cuál fue el mayor desafío técnico al que se enfrentó?

Cambiar :Hemos estado desarrollando una nueva técnica para el diagnóstico de baterías y se basa en ondas sonoras. Se trata, por tanto, de adaptar los ultrasonidos normalmente utilizados en el campo biomédico para los estudios de envejecimiento de las baterías. En respuesta a su pregunta, esto siempre es un problema al desarrollar un nuevo método:los científicos de baterías son normalmente químicos o científicos de materiales, no tanto ingenieros mecánicos. El ultrasonido es algo que se usa comúnmente en las ciencias biomédicas y también se usa en geofísica, es realmente una sonda mecánica. Entonces, el mayor desafío para mí fue formar un equipo que tenga personas con experiencia en diseño mecánico y procesamiento de señales y luego tratar de aprovechar esas habilidades para construir algo que pueda medir la química de la batería. Es un esfuerzo muy interdisciplinario.

En última instancia, tiene una herramienta que mide el módulo elástico y la densidad, que se correlacionan con el envejecimiento y el rendimiento de la batería. El desafío entonces era hacer que esta técnica fuera fácil de usar y de entender para los científicos de baterías.

Resúmenes técnicos :¿Tiene algún plan establecido para futuras investigaciones, trabajos, etc.? Si no, ¿cuáles son tus próximos pasos? ¿Adónde vas desde aquí?

Cambiar :Tenemos planes establecidos para el próximo trabajo. El método tal como está es una técnica 1D o 2D. El 1D se refiere a cuando escaneas el centro de un bateador; envías una onda de sonido a través del centro de la batería y, a medida que la batería circula, esa onda de sonido cambia de forma. La forma en que cambia de forma se correlaciona con un cambio en el módulo elástico y la densidad.

Puedes hacer lo mismo en 2D simplemente escaneando el electrodo y eso te dará una imagen de la batería. Por lo tanto, le indica no sólo cuándo sino también dónde está sucediendo algo. Entonces, 3D se refiere a la capacidad no solo de obtener un escaneo de la batería sino también de una resolución capa por capa. Esto se refiere a la geometría.

Entonces, una batería, desde fuera, parece bastante simple. Es como una bolsa o algo así como un cilindro. Pero en su interior hay muchas capas de electrodos apilados. Si ve un cambio en 2D, normalmente lo atribuye a algún área. Pero la pregunta es si se trata de un defecto o de un posible modo de fallo. ¿Sucede a través de todos los electrodos o sucede en un electrodo específico? Eso es a lo que intenta llegar el 3D. Puedes imaginar que es todo un desafío porque requiere que descubramos cómo descomponer esa forma de onda en sus componentes individuales, por ejemplo, cómo interactúa con cada capa.

Entonces, como siguiente paso, lo que estamos haciendo es construir mejores algoritmos que nos permitan descomponer la forma de onda en el efecto de cada capa. Eso es lo que nos llevará a la resolución 3D. Creemos que es posible porque esta es una capacidad que ya tienen los rayos X. Y, en algunos casos de ciencias biomédicas, han podido conseguir la versión 3D. Definitivamente está a la vanguardia de la tecnología de ultrasonido, pero ahí es donde queremos estar.

Resúmenes técnicos :¿Hay algo más que le gustaría agregar que no mencioné?

Cambiar :Quiero enfatizar que el ultrasonido para baterías existía incluso cuando yo era doctor. estudiante:lo estábamos desarrollando en mi antiguo laboratorio. Entonces, realmente, el énfasis aquí es hacer que una herramienta relativamente nueva sea fácil de usar para los científicos de baterías. Y solo quiero enfatizar que el resultado principal fue básicamente que construyéramos esta plataforma en la batería, la startup de batería SES AI, en su sitio de I+D; Pudimos capacitar a uno de sus ingenieros para que lo usara a diario. Para mí, ese es el aspecto más fructífero y motivador de nuestro trabajo:ver cómo se traduce directamente en el uso de la industria. Por lo tanto, no se trata solo de SES, sino que también estamos hablando con otras nuevas empresas y algunas grandes empresas de fabricación de automóviles que ya tienen una herramienta de ultrasonido o están buscando obtener una. Estamos hablando con ellos para ayudarlos a comprender mejor la herramienta y hacerla más parecida a una capacidad plug-and-play que cualquier industria y laboratorio de I+D tiene para baterías.