초음파를 통해 숨겨진 배터리 결함 발견:새로운 진단 도구

앤드류 코셀리

최근 배터리 관련 화재가 증가함에 따라 이러한 치명적인 오작동을 일으킬 수 있지만 육안으로는 거의 눈에 띄지 않는 결함을 식별하는 문제에 대한 관심이 높아졌습니다. 배터리 과열 및 화재를 유발할 수 있는 위험한 결함을 방지하기 위해 Drexel University의 연구원들은 제조업체가 배터리의 내부 작동을 더 잘 볼 수 있도록 표준 테스트 프로세스를 개발했습니다.

최근 Electrochimica Acta 저널에 게재된 논문에서 , 그룹은 초음파를 사용하여 배터리의 전기화학적 및 기계적 기능을 모니터링하는 방법을 제시했습니다. 이 방법을 사용하면 과열로 이어질 수 있고 "열 폭주"를 유발할 수도 있는 모든 손상이나 결함을 즉시 확인할 수 있습니다.

"리튬 이온 배터리는 거의 반세기 동안 연구되어 30년 넘게 상용화되었지만, 우리는 최근에야 고해상도로 내부를 볼 수 있는 도구를 개발했습니다."라고 이 프로젝트를 감독한 드렉셀 공과대학 배터리 역학 연구소의 조교수이자 1차 연구자인 Wes Chang 박사는 말했습니다. "특히 초음파는 지난 10년 동안 지구물리학, 생물의학 등 다른 분야에서 배터리 진단에 적용되었습니다. 이는 배터리 및 전기 자동차 산업에서 매우 새로운 기술이기 때문에 배터리 엔지니어에게 작동 방식과 유용성을 가르칠 필요가 있습니다."

팀의 최근 작업에서는 EV를 생산하는 자동차 회사에서 일하는 배터리 엔지니어가 쉽게 구현하고 사용할 수 있는 저렴하고 접근 가능한 벤치탑 초음파 도구를 시연함으로써 이를 수행하기 위해 노력하고 있습니다.

여기 독점 기술 요약이 있습니다. Chang과의 인터뷰(길이와 명확성을 위해 편집됨).

기술 요약 :귀하가 직면한 가장 큰 기술적인 문제는 무엇이었습니까?

장 :우리는 음파를 기반으로 배터리 진단을 위한 새로운 기술을 개발해 왔습니다. 따라서 배터리 노화 연구를 위해 생의학 분야에서 일반적으로 사용되는 초음파를 적용하고 있습니다. 귀하의 질문에 따르면 이는 새로운 방법을 개발할 때 항상 문제가 됩니다. 배터리 과학자는 일반적으로 기계 엔지니어가 아닌 화학자 또는 재료 과학자입니다. 초음파는 생명의학 과학에서 일반적으로 사용되며 지구물리학에서도 사용되는 것으로 실제로는 기계적 탐침입니다. 그래서 저에게 있어서 가장 큰 과제는 기계 설계 및 신호 처리에 대한 전문 지식을 갖춘 사람들로 팀을 구성하고 이러한 기술을 활용하여 배터리 화학을 측정할 수 있는 것을 구축하는 것이었습니다. 이는 매우 다양한 분야에 걸친 노력입니다.

궁극적으로 배터리 노화 및 배터리 성능과 관련된 탄성 계수 및 밀도를 측정하는 도구가 있습니다. 문제는 이 기술을 배터리 과학자들이 사용자 친화적이고 이해하기 쉽게 만드는 것이었습니다.

기술 요약 :향후 연구나 업무 등에 대해 정해진 계획이 있나요? 그렇지 않다면 다음 단계는 무엇입니까? 여기서 어디로 가시나요?

장 :앞으로의 작업에 대한 계획은 정해져 있습니다. 현재의 방법은 1D 또는 2D 기술입니다. 1D는 타자의 중심을 스캔하는 것을 의미합니다. 배터리 중앙을 통해 음파를 보내고, 배터리를 순환시키면 음파의 모양이 변합니다. 모양이 변하는 방식은 탄성 계수 및 밀도의 변화와 관련이 있습니다.

전극을 스캔하기만 하면 2D에서도 동일한 작업을 수행할 수 있으며 이를 통해 배터리 이미지를 얻을 수 있습니다. 따라서 언제, 어디서 무슨 일이 일어나고 있는지도 알려줍니다. 따라서 3D는 배터리 스캔뿐만 아니라 레이어별 해상도도 얻을 수 있는 기능을 의미합니다. 이는 기하학을 나타냅니다.

그래서 배터리는 외부에서 보면 꽤 단순해 보입니다. 그것은 주머니와 같거나 원통과 같습니다. 하지만 내부에는 함께 쌓인 여러 층의 전극이 있습니다. 2D에서 변화가 보이면 일반적으로 이를 일부 영역에 기인한다고 생각합니다. 그러나 문제는 그것이 결함인지 아니면 가능한 실패 모드인지입니다. 모든 전극에서 발생합니까, 아니면 하나의 특정 전극에서 발생합니까? 3D가 시도하는 것이 바로 이것이다. 파형이 모든 단일 레이어와 상호 작용하는 방식과 같이 해당 파형을 개별 구성 요소로 분해하는 방법을 파악해야 하기 때문에 매우 어려운 일이라고 생각할 수 있습니다.

따라서 다음 단계로 우리가 하고 있는 일은 파형을 각 레이어의 효과로 분해할 수 있는 더 나은 알고리즘을 구축하는 것입니다. 이것이 우리를 3D 해상도로 이끄는 것입니다. 우리는 이것이 이미 엑스레이에 있는 기능이기 때문에 가능하다고 생각합니다. 그리고 어떤 경우에는 생명의학 분야에서 3D 버전을 얻을 수도 있었습니다. 이는 확실히 초음파 기술의 최전선에 있지만 우리가 원하는 곳은 바로 그곳입니다.

기술 요약 :제가 언급하지 않은 내용 중에 추가하고 싶은 내용이 있나요?

장 :배터리용 초음파는 제가 박사과정을 밟던 시절에도 있었다는 점을 강조하고 싶습니다. 학생 — 우리는 예전 연구실에서 그것을 개발하고 있었습니다. 따라서 여기서 강조점은 배터리 과학자가 상대적으로 새로운 도구를 쉽게 사용할 수 있도록 만드는 것입니다. 그리고 저는 기본적으로 주요 결과가 배터리 스타트업인 SES AI의 R&D 사이트에서 이 플랫폼을 구축했다는 점을 강조하고 싶습니다. 우리는 엔지니어 중 한 명에게 이를 매일 사용하도록 교육할 수 있었습니다. 나에게 있어 그것은 우리 작업의 가장 유익하고 동기를 부여하는 측면입니다. 즉, 그것이 업계에서 직접적으로 적용되는 것을 보는 것입니다. 따라서 SES에만 국한된 것이 아니라 이미 초음파 도구를 보유하고 있거나 구입하려는 다른 스타트업 및 몇몇 대형 자동차 제조 회사와도 이야기를 나누고 있습니다. 우리는 도구를 더 잘 이해하고 모든 R&D 연구소 및 산업계가 배터리에 사용하는 플러그 앤 플레이 기능과 더 유사하게 만들기 위해 그들과 대화하고 있습니다.