El sistema de rayos X de Fraunhofer revela el funcionamiento interno de las celdas de batería
Fraunhofer EMI ha desarrollado una tecnología especial de rayos X que permite visualizar en tiempo real los procesos dinámicos en celdas prismáticas de gran formato. Junto con PowerCo, la filial de baterías de Volkswagen, esta tecnología está lista ahora para su aplicación industrial.
El Instituto Fraunhofer de Dinámica de Alta Velocidad, Ernst-Mach-Institut, describe su innovadora tecnología de rayos X como un “sistema de rayos X de alta velocidad único en el mundo”. Según los científicos del instituto, esta tecnología permite observar lo que ocurre dentro de las celdas de baterías de gran formato en fracciones de segundo bajo estrés, y podría ayudar a acelerar el desarrollo de generaciones de celdas más seguras para la industria automotriz europea.
El enfoque tiene como objetivo responder a qué ocurre dentro de una celda de batería cuando falla. Hasta ahora, los fabricantes de celdas e integradores de vehículos han dependido de simulaciones, métodos de pruebas destructivas o mediciones indirectas. Sin embargo, el método desarrollado por Fraunhofer EMI ahora permite observar directamente la celda en funcionamiento. Según el equipo, el sistema combina tecnología de rayos X de alto rendimiento con una cámara de pruebas para baterías especialmente diseñada y tecnología de sensores avanzada para registrar simultáneamente la temperatura, la presión, el voltaje y el flujo de gas: “Al registrar hasta 1,000 imágenes por segundo, revela procesos como la formación de gas, el desplazamiento del material y la propagación de grietas dentro de la celda con una resolución extremadamente alta; eventos que hasta ahora habían permanecido ocultos a la vista.”
El Dr. Sebastian Schopferer, jefe de Seguridad de Baterías en Fraunhofer EMI, destaca: “Nuestro método in situ nos permite observar lo que ocurre dentro de una celda en fracciones de segundo, en tiempo real y con la mayor resolución posible. Esto cambia fundamentalmente nuestra forma de entender el diseño y la seguridad de las baterías”. Un logro ingenieril clave fue el desarrollo de una cámara protectora que protege de manera fiable a los componentes sensibles a rayos X de las condiciones extremas durante la fuga térmica de las celdas de iones de litio.
La relevancia de este enfoque se demuestra aún más por el fuerte interés del sector: Fraunhofer EMI explicó que ya ha caracterizado la expulsión de materiales durante las fugas térmicas y el comportamiento de propagación en configuraciones multicélula para varios fabricantes automotrices alemanes, incluidos VW y Audi. Según una declaración: “Los datos obtenidos permiten a los ingenieros evaluar los diseños de las celdas basándose en procesos observados directamente y perfeccionar los modelos de simulación con mayor precisión, lo que aporta un valor añadido directo para los procesos de desarrollo y certificación de productos.”
El proyecto está estrechamente vinculado a PowerCo, la filial de baterías de Volkswagen. En su próxima fase, Fraunhofer EMI y PowerCo pretenden trasladar conjuntamente esta tecnología a aplicaciones industriales. El instituto aporta su experiencia en investigación de materiales, pruebas de estrés en baterías e imagenología de alta velocidad, mientras que PowerCo proporciona los requisitos para la producción en serie y acceso a tipos reales de celdas.
Los resultados iniciales de esta colaboración ya se están incorporando en el desarrollo de celdas en serie optimizadas en PowerCo. Aunque esto aún implica esfuerzos logísticos, se vislumbra un final: para 2028 está previsto instalar un sistema de rayos X correspondiente en la planta de PowerCo en Salzgitter. El sistema es escalable para diversos formatos de celdas y nuevas químicas celulares, “una ventaja importante para el desarrollo de futuras generaciones de baterías”, según el Instituto Fraunhofer.
HW Vassen, CTO de PowerCo, comentó: “Gracias a la toma de imágenes por rayos X de alta velocidad in situ, llevamos la investigación en baterías a un nuevo nivel. Por primera vez, podemos hacer visibles los procesos dinámicos dentro de las celdas en tiempo real y en cámara lenta. Esta profundidad sin precedentes de información nos permite optimizar la seguridad y el diseño de las celdas de batería de manera muy precisa y poner las innovaciones en uso industrial mucho más rápido. Junto con Fraunhofer EMI, impulsamos la alta tecnología fabricada en Europa y reforzamos el papel de este continente en la industria de las baterías.”
PowerCo fue fundada por el Grupo Volkswagen en 2022 y es responsable del desarrollo y producción de las celdas de batería del grupo. La empresa tiene su sede en Salzgitter y actualmente está construyendo tres fábricas de celdas con una capacidad combinada de hasta 200 gigavatios-hora al año: en Salzgitter (Alemania), Valencia (España) y St. Thomas (Canadá).