Urządzenie rentgenowskie Fraunhofera umożliwia widzenie wnętrza komórek / PowerCo jako użytkownik

Fraunhofer EMI opracował specjalną technologię rentgenowską, która w czasie rzeczywistym umożliwia obserwację dynamicznych procesów w dużych, pryzmatycznych komórkach baterii. Wspólnie z PowerCo, spółką Volkswagena zajmującą się bateriami, technologia ta ma teraz zostać wprowadzona do zastosowań przemysłowych.

Innowacyjną technologię rentgenowską Instytut Fraunhofer dla Dynamiki Krótkotrwałej, Ernst-Mach-Institut, określa jako „jedyny na świecie urządzenie rentgenowskie o wysokiej prędkości”. Umożliwia ona dostrzeżenie tego, co w ułamkach sekundy dzieje się wewnątrz dużych elementów baterii pod obciążeniem – a także przyspiesza rozwój bezpieczniejszych generacji baterii dla europejskiego przemysłu motoryzacyjnego, piszą naukowcy w towarzyszącym komunikacie.

To podejście ma dać odpowiedź na pytanie, co dzieje się wewnątrz komórki baterii, gdy przestaje funkcjonować. Do tej pory producenci komórek oraz integratorzy pojazdów musieli polegać na symulacjach, destruktywnych testach lub pośrednich pomiarach. Metoda opracowana teraz przez Fraunhofer EMI ma natomiast umożliwić spojrzenie w głąb działającej komórki. Urządzenie łączy, według jego twórców, wysokowydajną technologię rentgenowską z specjalnie opracowaną komorą do testowania baterii oraz rozbudowanymi czujnikami służącymi do jednoczesnego pomiaru temperatury, ciśnienia, napięcia i przepływu gazu. „Dzięki do 1.000 zdjęciom na sekundę procesy takie jak tworzenie się gazu, przesunięcia materiału i powstawanie pęknięć wewnątrz komórki są rejestrowane z najwyższą rozdzielczością – procesy, które dotychczas zachodziły w pełni w ukryciu”, pisze instytut.

Dr Sebastian Schopferer, kierownik działu bezpieczeństwa baterii w Fraunhofer EMI, podkreśla: „Dzięki naszemu metodowi in-situ możemy śledzić to, co w ułamkach sekund dzieje się wewnątrz ogniwa – w czasie rzeczywistym, z najwyższą rozdzielczością. To zmienia nasze podstawowe rozumienie konstrukcji i bezpieczeństwa baterii.” Kluczowym osiągnięciem inżynieryjnym było stworzenie komory ochronnej, która niezawodnie chroni wrażliwe elementy rentgenowskie przed ekstremalnymi warunkami występującymi podczas awarii ogniw litowo-jonowych.

Znaczenie tego podejścia pokazuje natomiast duże zainteresowanie ze strony przemysłu: Fraunhofer EMI informuje, że już dla kilku niemieckich producentów samochodów („m.in. dla VW i Audi”) przeanalizował właściwości materiałów pod wpływem procesów termicznych oraz ich zachowanie przy propagacji w konstrukcjach wielokomórkowych. „Uzyskane dane umożliwiają ocenę projektów komórek na podstawie rzeczywiście zaobserwowanych procesów oraz celowe udoskonalanie istniejących modeli symulacyjnych – co stanowi bezpośrednią wartość dodaną dla rozwoju produktów i procesów certyfikacyjnych”, podaje się w komunikacie.

Bardzo bliskie są relacje z PowerCo, spółką-dcerą VW zajmującą się bateriami. W następnym kroku Fraunhofer EMI i PowerCo zamierzają wspólnie wprowadzić tę technologię do użycia przemysłowego. Instytut wnosi w to swą wiedzę z dziedziny badań materiałowych, testowania wytrzymałości baterii oraz obrazowania o wysokiej szybkości. PowerCo dostarcza wymagań związanych z produkcją seryjną oraz dostęp do rzeczywistych typów ogniw.

Zgodnie z informacjami partnerów, pierwsze wyniki współpracy są już dziś wykorzystywane do rozwijania udoskonalonych komórek seryjnych firmy PowerCo. Jest to jednak obecnie powiązane z pewnymi trudnościami logistycznymi. Ich rozwiązanie jest jednak przewidywalne: do 2028 roku ma zostać zainstalowane odpowiednie urządzenie rentgenowskie w zakładzie PowerCo w Salzgitter. System ten może być skalowany pod różne formaty komórek oraz nowe chemie komórkowe – „co stanowi decydującą przewagę w rozwoju przyszłych generacji baterii”, jak podaje Instytut Fraunhofer.

HW Vassen, CTO w PowerCo, komentuje: „Dzięki rentgenografii wysokosprawnym przeprowadzanej na miejscu podnosimy badania nad bateriami na nowy poziom: po raz pierwszy możemy uwidocznić dynamiczne procesy wewnątrz komórek w czasie rzeczywistym i w zwolnionym tempie. Ta bezprecedensowa głębia obserwacji umożliwia nam celowe optymalizowanie bezpieczeństwa i projektu komórek baterii oraz znacznie szybsze wprowadzanie innowacji do zastosowań przemysłowych. Wspólnie z Fraunhofer EMI rozwijamy w ten sposób wysokotechnologiczne rozwiązania ‚made in Europe’, wzmacniając rolę Europy w przemyśle bateriowym.”

PowerCo została, jak wiadomo, założona w 2022 roku przez koncern Volkswagen i jest odpowiedzialna za rozwój oraz produkcję ogniw bateryjnych tego koncernu. Firma ma siedzibę w Salzgitter i obecnie buduje trzy fabryki ogniw o łącznej zdolności produkcyjnej do 200 gigawatogodzin rocznie: w Salzgitter (Niemcy), Walencji (Hiszpania) oraz St. Thomas (Kanada).