超音波が隠れたバッテリ欠陥を暴く：新しい診断ツール

Andrew Corselli

バッテリ関連火災の最近の増加は、肉眼では明らかでない欠陥の特定という課題に注目を集めました。バッテリの過熱と発火を引き起こす危険なグリッチを防ぐため、Drexel大学の研究者たちが製造業者にバッテリ内部をより良く見せる標準テストプロセスを開発しました。

最近『Electrochimica Acta』誌に掲載された論文で、グループは超音波を用いてバッテリの電気化学的・機械的機能を監視する手法を提示しました。これにより、過熱や「熱暴走」を引き起こす可能性のある損傷や欠陥が即座に明らかになります。

「リチウムイオン電池は約半世紀研究され、30年以上商用化されてきましたが、高分解能で内部を見るツールを開発したのはごく最近です」と、Drexel大学工学部バッテリダイナミクスラボの主任研究者、助教授のWes Chang博士は述べています。「特に、超音波は地球物理学や生物医学など他分野から、過去10年間でバッテリ診断向けに適応されました。バッテリとEV業界では非常に新しい手法であるため、バッテリエンジニアにその仕組みと有用性を教える必要があります。」

チームの最近の仕事は、バッテリエンジニア（EVを製造する自動車会社のエンジニアを含む）が容易に導入・使用できる低コスト、アクセスしやすい卓上超音波ツールを実証することで、このニーズに応えようとしています。

ここでは、Chang氏への独占的なTech Briefsインタビューを、長さと明確さのために編集して掲載します。

Tech Briefs：最大の技術的課題は何でしたか？

Chang：バッテリ診断の新しい手法を開発してきました。音波ベースです。生物医学分野で通常使用される超音波をバッテリ劣化研究向けに適応させています。ご質問への答えですが、新しい手法開発では常にこの問題があります：バッテリ科学者は通常、化学者や材料科学者で、機械エンジニアではありません。超音波は生物医学や地球物理学で一般的に使用され、まさに機械的プローブです。私にとって最大の課題は、機械設計と信号処理の専門知識を持つ人々でチームを構築し、それらのスキルを活用してバッテリ化学を測定できるものを構築することでした。非常に学際的な取り組みです。

最終的に、弾性率と密度を測定するツールが得られます。これらはバッテリ劣化と性能と相関します。課題は、この手法をバッテリ科学者にとってユーザーフレンドリーで理解しやすいものにすることでした。

Tech Briefs：今後の研究計画はありますか？なければ次のステップは？どこへ向かいますか？

Chang：今後の作業について具体的な計画があります。現状の手法は1Dまたは2D技術です。1Dとは、バッテリの中心をスキャンするとき。音波をバッテリ中心に送り、バッテリをサイクリングするとその音波の形状が変化。その変化の仕方が弾性率と密度の変化と相関します。

電極をスキャンすることで2Dでも同じことができ、バッテリの画像が得られます。つまり、いつだけでなく、どこで何かが起きているかもわかります。3Dとは、バッテリのスキャンだけでなく層ごとの分解能を得ること。幾何学を指します。

バッテリは外から見るとシンプルです。パウチやシリンダーのようなもの。しかし内部は多くの電極層が積み重なっています。2Dで変化が見えても、通常はある領域に帰属させます。しかし問題は、それが欠陥なのか、起こりうる故障モードなのか。すべての電極で起きているのか、特定の1電極で起きているのか。それが3Dが狙うところです。その波形を個々の成分（各層との相互作用）にどう分解するかを理解する必要があるため、かなり困難です。

次のステップとして、波形を各層の効果に分解するより良いアルゴリズムを構築しています。それが3D分解能への道です。可能だと思います。X線はすでにこの能力を持っています。生物医学でも一部で3D版を実現しています。超音波技術の最前線ですが、そこを目指します。

Tech Briefs：触れられなかったことで追加したいことはありますか？

Chang：バッテリ用超音波は、私が博士課程学生だった頃から存在していました。古いラボで開発していました。ここでの重点は、比較的新しいツールをバッテリ科学者にとって使いやすくすることです。主要な成果は基本的に、バッテリスタートアップのSES AIのR&Dサイトでこのプラットフォームを構築し、彼らのエンジニアの1人を日常的に使用できるよう訓練できたことです。私にとって、それが仕事で最も実りがあり、モチベーションになる側面です。業界で直接活用されているのを見ること。SESだけでなく、他のスタートアップやいくつかの大手自動車メーカーとも話しています。彼らはすでに超音波ツールを持っているか、導入を検討しています。ツールをよりよく理解し、あらゆるR&Dラボと業界でバッテリ向けのプラグアンドプレイ機能に近いものにするために協力しています。