Серцевиною будь-якого електромобіля, як з точки зору інновацій, так і потенційної небезпеки, є акумулятор. Однак батареї іноді можуть спалахувати, а ризики займання в закритих просторах лише збільшують потенційну шкоду, хоча дехто стверджує, що це більше ажіотаж, ніж реальність. Проте, експерти з Дрексельського університету заявляють, що створили настільний інструмент на основі ультразвуку, здатний виявляти несправні батареї ще до того, як вони будуть встановлені та становитимуть матеріальну загрозу. Команда дослідників стверджує, що розроблені ними методи “негайно виявлять будь-які пошкодження або недоліки, які можуть призвести до перегріву і навіть спричинити термічний розгін”. Термічний розгін — це руйнування системи в літій-іонних батареях, під час якого неконтрольована хімічна реакція призводить до стійкого підвищення температури, а також різко підвищує рівень тиску, що може призвести до витоку шкідливих газів, пожежі та навіть вибуху.
Наразі поширеною практикою в промисловості є фізичні та електричні перевірки невеликої партії акумуляторів, що сходять з конвеєра, для виявлення дефектів. Також використовується рентгенівське зображення, але протоколи оцінки не є всеосяжними. Заявляється, що ультразвуковий підхід є швидшим, доступнішим і пропонує глибший рівень структурного аналізу.
Величезне досягнення
Перш ніж заглибитися в наукове підґрунтя запропонованого методу перевірки стану акумуляторів, обговоримо найбільш помітний аспект цього всього починання. Команда зробила вихідний код програмного забезпечення для тестування та необхідні файли відкритими, що означає, що будь-яка компанія або експерт може скористатися цією методологією або навіть розвинути її. По-друге, модульну машину, запропоновану ними для перевірки стану літій-іонних батарей за допомогою звукових хвиль, було побудовано з використанням модифікованого 3D-принтера та додаткових частин, які легко придбати на ринку.
Увесь апарат можна зібрати менш ніж за 10 000 доларів, тоді як найпростіша конфігурація (яка включає комп’ютер, імпульсний генератор, ультразвуковий перетворювач та осцилограф) коштуватиме трохи більше 6 000 доларів. Для порівняння, типова рентгенівська машина для перевірки літієвих батарей може коштувати від 40 000 до 50 000 доларів для великих виробників і навіть більше на роздрібному ринку. Але чому саме ультразвукові хвилі?
Протягом багатьох років автомобільні інженери та вчені пропонували різні рішення. Деякі з них показали неймовірні перспективи, але ще не були впроваджені в масштабах, тоді як кілька застарілих рішень приносять більше шкоди, ніж користі. Одним із найперспективніших напрямків, що з’явилися за останнє десятиліття, стало використання звукових хвиль для розробки літієвих батарей. Це саме той підхід, який просувають вчені з Дрексельського університету для виявлення ознак дефектів у батареях. Команда описує цю техніку як “технологію скануючої акустичної мікроскопії для посилення низькоенергетичних звукових хвиль через комерційний пакетний акумулятор”.
Вирішення проблеми газу
Основна ідея полягає у пропусканні звукових хвиль крізь літій-іонний акумуляторний блок. Коли хвилі проходять крізь різні матеріали та шари в батареї, їхня форма змінюється, що, своєю чергою, дозволяє дослідникам належним чином розгледіти структурні та механічні особливості батареї. Якщо є будь-які структурні дефекти або аномалії, форма звукових хвиль також різко змінюється. Дефекти можуть бути різних типів: це може бути проблема з матеріалом, локалізована в певній області батареї, проблеми з електричним з’єднанням або дисбаланс, пов’язаний із зарядом, в електрохімічному матеріалі, що забезпечує проходження струму в акумуляторному блоці.
Деякі з цих недоліків можуть бути ледь помітними і не становити негайної загрози, але з часом вони можуть призвести до небезпеки. Найперспективніший аспект цієї методики полягає в тому, що її можна застосовувати як на етапі виробництва, так і для досліджень та перевірки безпеки. “Одна речовина, яку сканування особливо добре виявляє, це газ, що важливо, оскільки присутність газу всередині батареї є ознакою сухих ділянок, які можуть призвести до виходу елемента з ладу під час його використання”, — стверджує команда.
Присутність газу в літієвій батареї не є доброю новиною. Деякі з них легкозаймисті та можуть спровокувати подію термічного розгону. Згідно з дослідженнями, опублікованими в журналі “Energy Reports”, вони також можуть негативно впливати на продуктивність елемента, деградуючи електрод, зменшуючи термін зберігання блоку та витісняючи електроліт. Недорогий ультразвуковий настільний пристрій, запропонований дослідниками, допоможе виявляти ці небезпечні газові кишені та прокладе шлях до безпечніших батарей, встановлених в електромобілях.
Довідкова інформація:
- Дрексельський університет (Drexel University) – це приватний дослідницький університет, розташований у Філадельфії, штат Пенсильванія, США. Заснований у 1891 році, він відомий своїми інноваційними програмами, зокрема системою кооперативної освіти, що інтегрує періоди навчання з періодами професійного досвіду. Університет має високі позиції в галузі інженерії, комп’ютерних наук та бізнесу.
- Термічний розгін (Thermal runaway) – це явище, що спостерігається в літій-іонних батареях, коли неконтрольоване підвищення температури призводить до подальшого зростання температури та тиску через екзотермічні хімічні реакції. Цей процес може спричинити займання, вибух або витік шкідливих речовин, оскільки ланцюгова реакція не зупиняється самостійно і призводить до повного руйнування акумуляторного елемента.
- Літій-іонні батареї – це тип акумуляторів, які широко використовуються в сучасній електроніці та електротранспорті завдяки їх високій енергетичній щільності, відносно низькому саморозряду та тривалому терміну служби. Вони працюють за рахунок переміщення іонів літію між анодом і катодом під час заряду та розряду.
- Electrochimica Acta та Energy Reports – це впливові міжнародні наукові журнали, що публікують рецензовані дослідження у галузях електрохімії та енергетики відповідно. Вони є важливими платформами для розповсюдження новітніх наукових відкриттів та технологічних досягнень.
