Ultrasonido Revela Defectos Ocultos en Baterías: Nueva Herramienta de Diagnóstico

Andrew Corselli

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

En un artículo publicado recientemente en la revista Electrochimica Acta, el grupo presentó métodos para usar ultrasonido para monitorizar las funciones electroquímicas y mecánicas de una batería — lo que revelaría inmediatamente cualquier daño o fallo que pueda llevar a sobrecalentamiento e incluso causar "fuga térmica" (thermal runaway).

"Mientras que las baterías Li-ion se han estudiado por casi medio siglo y comercializado por más de 30 años, solo recientemente hemos desarrollado herramientas que pueden ver dentro con alta resolución", dijo Wes Chang, Ph.D., Profesor Asistente, Investigador Principal, Laboratorio de Dinámica de Baterías en la Facultad de Ingeniería de Drexel, quien supervisó el proyecto. "En particular, el ultrasonido se ha adaptado de otros campos, como geofísica y ciencias biomédicas, para diagnóstico de baterías solo en la última década. Porque es una técnica tan nueva en las industrias de baterías y vehículos eléctricos, hay necesidad de enseñar a ingenieros de baterías cómo funciona y por qué es útil".

El trabajo reciente del equipo se esfuerza por hacer esto demostrando una herramienta ultrasónica de banco de bajo costo y accesible que espera pueda implementarse y usarse fácilmente por ingenieros de baterías, incluyendo los que trabajan en empresas automotrices produciendo EVs.

Entrevista exclusiva con Wes Chang, Ph.D.

Tech Briefs: ¿Cuál fue el mayor desafío técnico que enfrentaron?

Chang: Hemos estado desarrollando una nueva técnica para diagnóstico de baterías, basada en ondas de sonido. Así que es adaptar ultrasonido normalmente usado en campo biomédico para estudios de envejecimiento de baterías. Para tu 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 ciencias biomédicas y también en geofísica, es realmente una sonda mecánica. Así que el mayor desafío para mí fue construir un equipo que tenga gente con experiencia en diseño mecánico y procesamiento de señales y luego intentar aprovechar esas habilidades para construir algo que pueda medir química de baterías. Es un esfuerzo muy interdisciplinario.

En última instancia, tienes una herramienta que mide módulo elástico y densidad, que se correlaciona con envejecimiento y rendimiento de baterías. El desafío fue entonces hacer esta técnica fácil de usar y entender para científicos de baterías.

Tech Briefs: ¿Tienen planes establecidos para más investigación, trabajo, etc.? Si no, ¿cuáles son sus próximos pasos? ¿A dónde van desde aquí?

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

Puedes hacer lo mismo en 2D escaneando solo el electrodo, y eso te da una imagen de la batería. Así que te dice no solo cuándo sino también dónde algo está pasando. Entonces, 3D se refiere a la capacidad de no solo obtener un escaneo de la batería sino también resolución capa por capa. Esto se refiere a la geometría.

Una batería, por fuera, se ve bastante simple. Es como una bolsa o algo como un cilindro. Pero por dentro son muchas capas de electrodos apiladas juntas. Si ves un cambio en 2D, normalmente lo atribuyes a alguna área. Pero la pregunta es, ¿es un defecto o es un modo de fallo posible? ¿Está pasando a través de cada electrodo o en uno específico? Eso es lo que 3D intenta alcanzar. Puedes imaginar que es bastante desafiante porque requiere averiguar cómo descomponer esa forma de onda en sus componentes individuales, como cómo interactúa con cada capa individual.

Así que, como próximo 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 resolución 3D. Pensamos que es posible porque esta ya es una capacidad que tienen los rayos X. Y, en algunos casos en ciencias biomédicas, han conseguido la versión 3D. Definitivamente está en la vanguardia de la tecnología de ultrasonido, pero ahí es donde queremos estar.

Tech Briefs: ¿Hay algo más que le gustaría añadir que no toqué?

Chang: Quiero enfatizar que el ultrasonido para baterías existe desde incluso cuando yo era estudiante de doctorado — lo estábamos desarrollando en mi viejo laboratorio. Así que, realmente, el énfasis aquí es hacer una herramienta relativamente nueva fácil de usar para científicos de baterías. Y solo quiero enfatizar que el resultado principal fue básicamente construir esta plataforma en la startup de baterías SES AI, en su sitio de I+D; pudimos entrenar a uno de sus ingenieros para usarlo diariamente. Para mí, ese es el aspecto más fructífero y motivador de nuestro trabajo — verlo traducido directamente a uso industrial. Así que no solo está aislado en SES, sino que también hablamos con otras startups y algunas grandes empresas de fabricación automotriz que ya tienen una herramienta de ultrasonido o buscan conseguir una. Les estamos hablando para ayudarles a entender la herramienta mejor y hacerla más una capacidad plug-and-play que cualquier laboratorio de I+D e industria tenga para baterías.