(a) Imágenes Representantes SAM de una celda de la batería de batería de fosfato de hierro/cobre de litio de hierro (LMFP/Cu) después de la adición de 1,00 ml de electrolito. La línea naranja punteada representa el área de la imagen que se promedia en (c). Tenga en cuenta que el área no se extiende hasta la parte superior para evitar los efectos de la evaporación del agua que causan fluctuaciones de intensidad en largos tiempos de escaneo. (b) Imagen de la celda de la bolsa escaneada en (a) en una de las placas de plantilla de presión plástica. La línea azul punteada representa el nivel de agua durante las mediciones y la línea de naranja punteada es el área promediada en (C). (C) Resistencia de alta frecuencia extraída de EIS y la amplitud de transmisión (máximo de onda – mínima) del ultrasonido. Ambas métricas parecen estar altamente correlacionadas con la propagación de la humectación de electrolitos. Crédito: Electrochimica Acta (2025). Doi: 10.1016/j.electacta.2025.146012
Un aumento reciente en los incendios relacionados con la batería ha llamado la atención sobre el desafío de identificar defectos que pueden causar estos mal funcionamiento catastrófico, pero rara vez son obvios a simple vista. Con la esperanza de prevenir los problemas peligrosos que pueden hacer que las baterías se sobrecalienten y se incendian, los investigadores de la Universidad de Drexel han desarrollado un proceso de prueba estándar para dar a los fabricantes una mejor vista al funcionamiento interno de las baterías.
En un artículo publicado recientemente en la revista Acta electroquímicaEl grupo presentó métodos para usar ultrasonido para monitorear las funciones electroquímicas y mecánicas de una batería, lo que revelaría inmediatamente cualquier daño o defecto que podría provocar sobrecalentamiento e incluso causar “fugitivo térmico”.
“Si bien las baterías de iones de litio se han estudiado durante casi medio siglo y se comercializan durante más de 30 años, recientemente hemos desarrollado herramientas que pueden ver el interior con alta resolución”, dijo Wes Chang, Ph.D., profesor asistente e investigador principal del Laboratorio de Dinámica de la Batería en el Colegio de Ingeniería de Drexel, que supervisó el proyecto.
“En particular, el ultrasonido se ha adaptado de otros campos, como la geofísica y las ciencias biomédicas, para el diagnóstico de baterías solo en la última década. Debido a que es una técnica tan nueva en las industrias de baterías y vehículos eléctricos, es necesario enseñar a los 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 benchtop accesible de bajo costo que espera ser fácilmente implementada y utilizada por ingenieros de baterías, incluidos aquellos que trabajan en compañías automotrices que producen vehículos eléctricos.
Según los asuntos del consumidor informe, Las personas usan de tres a cuatro dispositivos electrónicos alimentados por baterías cada día, desde computadoras portátiles, teléfonos y tabletas, hasta herramientas eléctricas y tránsito eléctrico, como bicicletas y scooters, un número que se ha duplicado en los últimos cinco años. La prisa por suministrar baterías para todos estos dispositivos ha creado un mercado para productos que se pueden producir más y más rápido. Esto es una preocupación, según Chang, porque puede permitir que las células de baja calidad ingresen al mercado.
“Si bien la gran mayoría de las baterías de iones de litio hoy en día son de alto rendimiento y seguras, los defectos existirán cuando se usan miles de celdas dentro de vehículos eléctricos y se producen millones de vehículos eléctricos cada año”, dijo Chang.
Los procesos actuales de seguridad y control de calidad para las baterías fabricadas dependen en gran medida de la inspección visual y las pruebas de rendimiento de las celdas de batería seleccionadas después de salir de la línea. Las baterías fabricadas también pueden ser radiografiadas para generar una imagen interior de alta resolución, pero esto es lento y costoso.
Se requiere que los fabricantes sigan estos protocolos de inspección y prueba, pero con la escala a la que se están utilizando baterías, incluso un pequeño diseño o defecto de fabricación que se pierde puede conducir a un lote masivo de baterías defectuosas que llegan al mercado.
Por el contrario, el método propuesto por el equipo de Drexel utiliza imágenes acústicas, ultrasonido, que es más rápido y menos costoso que las radiografías y puede proporcionar información complementaria sobre las propiedades mecánicas de la batería. El grupo de Chang informó haber usado la tecnología de microscopía acústica de escaneo para enviar ondas de sonido de baja energía a través de una batería de celda comercial.
Sin afectar sus operaciones internas o afectar su rendimiento, la velocidad de las ondas se altera a medida que pasa a través de los diversos materiales dentro de una batería. Esto permite a los investigadores obtener una mirada completa, detallada y rápida de los cambios químicos dentro de los materiales de la batería a medida que se utiliza.
“Al observar cómo la onda de sonido ha cambiado al interactuar con la muestra, podemos deducir una serie de características estructurales y mecánicas”, escribieron en el informe.
El proceso puede ayudar a detectar defectos estructurales o daños que podrían causar un breve de deficiencias o desequilibrios de materiales eléctricos que podrían obstaculizar el rendimiento, así como los indicadores de que es probable que ocurran problemas. Una sustancia que el escaneo es particularmente bueno para detectar es el gas, lo cual es importante porque la presencia de gas dentro de una batería es una indicación de áreas secas que podrían hacer que la celda falle mientras se usa.
La sensibilidad del ultrasonido lo hace útil no solo para detectar defectos en la fabricación, sino también para medir cómo fallan las nuevas químicas de batería en los laboratorios de investigación y desarrollo. Como parte de la investigación, el grupo de Chang trabajó con socios de investigación en SES AI, una empresa de inicio de baterías de metal de litio. La implementación de la plataforma de prueba en el sitio de investigación y desarrollo de SES AI dio a los ingenieros acceso instantáneo a los datos durante el proceso de diseño y prueba que les permitió realizar ajustes y correcciones más rápidamente.
Además de informar su proceso para el método de prueba de ultrasonido, el equipo también desarrolló un software de código abierto para ejecutar el instrumento y producir un análisis rápido de los datos resultantes.
“Esperamos que al reducir la barrera de entrada, las pruebas ultrasónicas puedan convertirse en una parte rutinaria de la investigación y el desarrollo de la batería”, dijo Chang. “Los científicos de baterías desean construir mejores baterías, no desarrollar nuevas herramientas. Proporcionamos una interfaz de usuario que sea fácil de usar con las actualizaciones regulares de software. Esto se suma a la colección existente de herramientas que los científicos de baterías tienen a la mano para medir y diagnosticar el rendimiento de la batería de próxima generación”.
El grupo planea continuar mejorando la tecnología para que pueda escanear más fácilmente los electrodos de la batería, así como las celdas, y producir imágenes tridimensionales más detalladas en lugar de los escaneos bidimensionales actualmente limitados para detectar mejor defectos.
Más información: Sam Amsterdam et al, diseño de un instrumento de prueba ultrasónico de bajo costo para la metrología de la batería, Electrochimica Acta (2025). Dos: 10.1016/j.electacta.2025.146012
Proporcionado por la Universidad de Drexel
Cita: la técnica de ultrasonido no invasiva puede detectar baterías malas antes de que funcionen mal (2025, 25 de junio) recuperó el 25 de junio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-06-noninvasive-ultrasund-technique-bad-batteries.html
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