超音波検査で隠れたバッテリーの欠陥を明らかに:新しい診断ツール

アンドリュー・コルセリ

最近、バッテリー関連の火災が増加しているため、これらの致命的な誤動作を引き起こす可能性があるが、肉眼ではほとんど明らかではない欠陥を特定するという課題に注目が集まっています。バッテリーの過熱や発火を引き起こす可能性のある危険な不具合を防ぐことを期待して、ドレクセル大学の研究者は、メーカーがバッテリーの内部動作をより詳しく観察できるようにする標準的なテストプロセスを開発しました。

最近雑誌エレクトロキメカ アクタに掲載された論文で このグループは、超音波を使用してバッテリーの電気化学的および機械的機能を監視する方法を発表しました。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半世紀近く研究され、30年以上商品化されてきましたが、高解像度で内部を見ることができるツールを開発したのはつい最近です」と、このプロジェクトを監督したドレクセル大学工学部バッテリーダイナミクス研究室の助教授兼主任研究員のウェス・チャン博士は述べた。 「特に、超音波が地球物理学や生物医学などの他の分野からバッテリー診断に採用されたのは、ここ 10 年間のことです。超音波はバッテリー業界や電気自動車業界では非常に新しい技術であるため、超音波がどのように機能し、なぜ役立つのかをバッテリー エンジニアに教える必要があります。」

チームの最近の研究では、低コストでアクセスしやすいベンチトップ超音波ツールを実証することでこれを実現しようとしています。このツールは、EV を生産する自動車会社で働く人を含むバッテリー エンジニアが簡単に実装して使用できることを期待しています。

こちらは独占的な技術ブリーフです。 長さと明瞭さのために編集されたチャンとのインタビュー。

技術概要 :あなたが直面した最大の技術的課題は何でしたか?

チャン :私たちは、音波に基づいたバッテリー診断のための新しい技術を開発しています。つまり、生物医学分野で通常使用される超音波をバッテリーの老化研究に応用しているのです。あなたの質問に対して、これは新しい方法を開発するときに常に問題になります。バッテリー科学者は通常、化学者または材料科学者であり、機械エンジニアではありません。超音波は生物医学で一般的に使用され、地球物理学でも使用されるもので、実際には機械的な探査機です。したがって、私にとっての最大の課題は、機械設計と信号処理の専門知識を持つ人材を集めたチームを構築し、それらのスキルを活用してバッテリーの化学的性質を測定できるものを構築しようとすることでした。これは非常に分野を超えた取り組みです。

最終的には、バッテリーの経年劣化やバッテリーの性能と相関する弾性率と密度を測定するツールが完成します。課題は、この技術をユーザーフレンドリーで電池科学者にとって理解しやすいものにすることでした。

技術概要 ：今後の研究や仕事など、決まった計画はありますか？そうでない場合、次のステップは何ですか?ここからどこへ行きますか？

チャン :今後の作業については決まった計画があります。現状の方法は 1D または 2D 技術です。 1D は打者の中心をスキャンすることを指します。バッテリーの中心に音波を送信すると、バッテリーを循環させると、その音波の形状が変化します。形状の変化の仕方は、弾性率と密度の変化と相関しています。

電極をスキャンするだけで同じことを 2D で行うことができ、バッテリーの画像を取得できます。したがって、何かがいつ起こったかだけでなく、どこで起こったかもわかります。したがって、3D とは、バッテリーのスキャンだけでなく、レイヤーごとの解像度も取得できる機能を指します。これはジオメトリを指します。

このように、バッテリーは外から見ると非常にシンプルに見えます。ポーチというか筒のようなものです。しかし、内部では何層もの電極が積み重ねられています。 2D で変化が見られた場合、通常はそれが何らかの領域にあると考えます。しかし問題は、それが欠陥なのか、それとも起こり得る故障モードなのかということです。それはすべての電極を通して起こっているのでしょうか、それとも 1 つの特定の電極上で起こっているのでしょうか?それが 3D が目指していることです。波形がすべてのレイヤーとどのように相互作用するかなど、波形を個々のコンポーネントに分解する方法を理解する必要があるため、これは非常に困難であることが想像できます。

したがって、次のステップとして、波形を各レイヤーのエフェクトに分解できるようにする、より優れたアルゴリズムを構築しています。それが 3D 解像度につながるのです。これは X 線がすでに備えている機能であるため、可能であると考えられます。また、生物医学科学の場合には、3D バージョンを入手できる場合もあります。超音波技術の最前線であることは間違いありませんが、それが私たちが目指すところです。

技術概要 :私が触れなかった他に何か追加したいことはありますか?

チャン :強調したいのは、バッテリー用の超音波は、私が博士課程の学生だった頃から存在していたことです。学生 — 私たちは以前の研究室でそれを開発していました。つまり、ここで特に重視しているのは、比較的新しいツールを電池科学者にとって使いやすくすることです。そして、主な成果は基本的に、バッテリー、バッテリースタートアップ SES AI の研究開発サイトでこのプラットフォームを構築したことであることを強調したいと思います。私たちは、同社のエンジニアの 1 人に、それを日常的に使用できるようにトレーニングすることができました。私にとって、それが業界での利用に直接反映されることは、私たちの仕事の最も実りある、そしてモチベーションにつながる側面です。そのため、これは SES だけに限定されたものではなく、すでに超音波ツールを持っているか、または導入を検討している他の新興企業やいくつかの大手自動車製造会社とも話をしています。私たちは、彼らがこのツールをよりよく理解し、どの研究開発ラボや業界でもバッテリーに対して備えているプラグアンドプレイ機能に近づけるために彼らと話をしています。