Slechte batterijen opsporen voordat ze defect raken

In de hoop de gevaarlijke storingen te voorkomen die ervoor kunnen zorgen dat batterijen oververhit raken en vlam vatten, hebben onderzoekers van Drexel University een standaard testproces ontwikkeld om fabrikanten een beter beeld te geven van de interne werking van batterijen.

In een recent artikel in het tijdschrift Electrochimica Acta presenteerde de groep methoden voor het gebruik van ultrageluid om de elektrochemische en mechanische functies van een batterij te monitoren. Dit zou direct eventuele schade of gebreken aan het licht brengen die tot oververhitting en zelfs ‘thermische runaway’ zouden kunnen leiden.

“Hoewel lithium-ionbatterijen al bijna een halve eeuw worden bestudeerd en al meer dan 30 jaar op de markt zijn, hebben we pas recentelijk instrumenten ontwikkeld die met hoge resolutie naar binnen kunnen kijken”, aldus Wes Chang, PhD, universitair docent en hoofdonderzoeker van het Battery Dynamics Lab aan Drexel’s College of Engineering, die het project begeleidde. “Met name ultrageluid is pas de afgelopen tien jaar overgenomen uit andere vakgebieden, zoals geofysica en biomedische wetenschappen, voor batterijdiagnostiek. Omdat het zo’n nieuwe techniek is in de batterij- en elektrische-voertuigenindustrie, is het nodig om batterijtechnici te leren hoe het werkt en waarom het nuttig is.”

Het team wil dit bereiken door een goedkope, toegankelijke ultrasone tool voor in de werkplaats te demonstreren waarvan het hoopt dat deze eenvoudig kan worden geïmplementeerd en gebruikt door batterijtechnici, inclusief degenen die werken bij autobedrijven die elektrische voertuigen produceren.

Enorme hoeveelheden batterijen

Volgens een rapport van Consumer Affairs gebruiken mensen dagelijks drie tot vier elektronische apparaten die op batterijen werken – van laptops, telefoons en tablets tot elektrisch gereedschap en elektrisch vervoer, zoals fietsen en scooters – een aantal dat de afgelopen vijf jaar is verdubbeld. De haast om batterijen voor al deze apparaten te leveren, heeft een markt gecreëerd voor producten die goedkoper en sneller kunnen worden geproduceerd. Dit is volgens Chang een punt van zorg, omdat het cellen van lage kwaliteit op de markt kan brengen.

“Hoewel de overgrote meerderheid van de lithium-ionbatterijen tegenwoordig goed presteren en veilig zijn, zullen er ongetwijfeld defecten ontstaan ​​wanneer duizenden cellen in elektrische voertuigen worden gebruikt en er jaarlijks miljoenen elektrische voertuigen worden geproduceerd”, aldus Chang.

De huidige veiligheids- en kwaliteitscontroleprocessen voor gefabriceerde batterijen zijn sterk afhankelijk van visuele inspectie en prestatietests van geselecteerde batterijcellen nadat ze van de band rollen. Gefabriceerde batterijen kunnen ook worden geröntgend om een ​​hoge-resolutie beeld van het inwendige te genereren, maar dit is traag en duur.

Fabrikanten zijn verplicht deze inspectie- en testprotocollen te volgen, maar gezien de schaal waarop batterijen worden gebruikt, kan zelfs een kleine ontwerp- of productiefout die over het hoofd wordt gezien, leiden tot een enorme hoeveelheid defecte batterijen die op de markt komen.

Ultrageluid

De methode die het Drexel-team voorstelde, maakt daarentegen gebruik van akoestische beeldvorming – ultrageluid – wat sneller en goedkoper is dan röntgenstraling en aanvullende informatie kan verschaffen over de mechanische eigenschappen van de batterij. De groep van Chang rapporteerde over het gebruik van scanning akoestische microscopietechnologie om laagenergetische geluidsgolven door een commerciële pouch cell-batterij te sturen.

Zonder de interne werking of de prestaties te beïnvloeden, verandert de snelheid van de golven terwijl ze door de verschillende materialen in een batterij gaan. Dit stelt onderzoekers in staat om een ​​volledig, gedetailleerd en snel beeld te krijgen van de chemische veranderingen in batterijmaterialen tijdens het gebruik.

“Door te observeren hoe de geluidsgolf is veranderd tijdens interactie met het monster, kunnen we een aantal structurele en mechanische kenmerken afleiden”, schreven ze in het rapport.

Het proces kan helpen om structurele defecten of schade detecteren die een elektrische kortsluiting kunnen veroorzaken, materiaalgebreken of onevenwichtigheden die de prestaties kunnen belemmeren, evenals indicatoren die erop wijzen dat er waarschijnlijk problemen zullen optreden. Eén stof die de scan bijzonder goed kan detecteren, is gas. Dit is belangrijk omdat de aanwezigheid van gas in een batterij een indicatie is van droge gebieden die ervoor kunnen zorgen dat de cel tijdens gebruik faalt.

Ook handig tijdens ontwikkeling

De gevoeligheid van ultrageluid maakt het niet alleen nuttig voor het detecteren van productiefouten, maar ook voor het meten van de mate waarin nieuwe batterijchemieën falen in onderzoeks- en ontwikkelingslaboratoria. Tijdens het onderzoek werkte Changs groep samen met onderzoekspartners van SES AI, een startupbedrijf gespecialiseerd in lithium-metaalbatterijen. Door het testplatform te implementeren op de onderzoeks- en ontwikkelingslocatie van SES AI, kregen de ingenieurs direct toegang tot gegevens tijdens het ontwerp- en testproces, waardoor ze sneller aanpassingen en correcties konden doorvoeren.

Open Source

Naast het rapporteren van hun proces voor de ultrageluidtestmethode, ontwikkelde het team ook open-sourcesoftware om het instrument te bedienen en een snelle analyse van de resulterende gegevens te maken.

“We hopen dat ultrasoon testen door de toetredingsdrempel te verlagen een routineonderdeel kan worden van batterijonderzoek en -ontwikkeling”, aldus Chang. “Batterijwetenschappers willen betere batterijen bouwen, geen nieuwe tools ontwikkelen. We bieden een gebruiksvriendelijke gebruikersinterface met regelmatige software-updates. Dit is een aanvulling op de bestaande verzameling tools die batterijwetenschappers tot hun beschikking hebben om de prestaties van de volgende generatie batterijen te meten en te diagnosticeren.”

De groep is van plan om de technologie verder te verbeteren, zodat het gemakkelijker wordt om batterij-elektroden en cellen te scannen en meer gedetailleerde driedimensionale beelden te produceren in plaats van de huidige beperkte tweedimensionale scans, om zo defecten beter te kunnen detecteren.