System rentgenowski Fraunhofera ujawnia wewnętrzną strukturę komórek baterii

Fraunhofer EMI opracował specjalną technologię rentgenowską, która umożliwia widzenie dynamicznych procesów zachodzących w dużych, pryzmatycznych komórkach baterii w czasie rzeczywistym. Wraz z spółką PowerCo, działem zajmującym się bateriami należącym do Volkswagena, technologia ta ma teraz trafić do zastosowań przemysłowych.

Institut Fraunhofera ds. Dynamiki Wysokoszybkiej, Ernst-Mach-Institut, określa swoją innowacyjną technologię rentgenowską mianem „uniwersalnego, wysokoszybkiego systemu rentgenowskiego”. Według naukowców z tego instytutu umożliwia ona obserwację tego, co dzieje się w dużych komórkach baterii pod wpływem obciążeń w ułamkach sekundy – i może przyspieszyć rozwój bezpieczniejszych generacji komórek baterii dla europejskiego przemysłu motoryzacyjnego.

Cel tego podejścia polega na ustaleniu, co dzieje się wewnątrz komórki baterii podczas jej awarii. Do tej pory producenci komórek oraz integratorzy pojazdów polegali na symulacjach, metodach testowania destrukcyjnego lub pośrednich pomiarach. Jednak metoda opracowana przez Fraunhofer EMI umożliwia teraz bezpośrednią obserwację działającej komórki. Zdaniem zespołu system łączy wysokowydajną technologię rentgenowską z specjalnie opracowaną komorą do testowania baterii oraz zaawansowaną technologią czujników służącą do jednoczesnego rejestrowania temperatury, ciśnienia, napięcia i przepływu gazu: „Rejestrując nawet 1000 obrazów na sekundę, umożliwia on widzenie procesów takich jak tworzenie się gazu, przesuwanie się materiału oraz rozprzestrzenianie się pęknięć wewnątrz komórki z niezwykle wysoką rozdzielczością – zjawisk, które do tej pory pozostawały niewidoczne.”

Dr Sebastian Schopferer, kierownik działu bezpieczeństwa baterii w Fraunhofer EMI, podkreśla: „Nasza metoda in-situ pozwala nam obserwować to, co dzieje się wewnątrz ogniwa w ułamkach sekundy – w czasie rzeczywistym i z najwyższą rozdzielczością. To fundamentalnie zmienia sposób, w jaki rozumiemy projektowanie i bezpieczeństwo baterii”. Kluczowym osiągnięciem inżynieryjnym było stworzenie komory ochronnej, która skutecznie chroni wrażliwe elementy rentgenowskie przed ekstremalnymi warunkami podczas awarii termicznych ogniw litowo-jonowych.

Znaczenie tego podejścia jest dodatkowo potwierdzone dużym zainteresowaniem ze strony przemysłu: Fraunhofer EMI poinformował, że już przeanalizował proces wyrzucania materiału podczas awarii termicznych oraz zachowanie propagacji w układach wielokomórkowych dla kilku niemieckich producentów samochodów, w tym VW i Audi. Zgodnie z oświadczeniem: „Uzyskane dane umożliwiają inżynierom ocenę projektów komórek na podstawie bezpośrednio obserwowanych procesów oraz udoskonalanie modeli symulacyjnych z większą precyzją – co przynosi bezpośrednią wartość dodaną w procesach rozwoju produktów i certyfikacji.”

Projekt jest ściśle powiązany z PowerCo, spółką zależną Volkswagena zajmującą się bateriami. W następnym etapie Fraunhofer EMI i PowerCo zamierzają wspólnie wprowadzić tę technologię do zastosowań przemysłowych. Instytut wnosi swoją wiedzę z dziedziny badań materiałów, testowania wytrzymałości baterii oraz szybkiego obrazowania, natomiast PowerCo dostarcza wymagania dotyczące produkcji seryjnej oraz dostęp do rzeczywistych typów ogniw.

Pierwsze wyniki współpracy są już wykorzystywane przy opracowywaniu optymalizowanych ogniw seryjnych w PowerCo. Chociaż nadal wymaga to wysiłków logistycznych, cel jest już w zasięgu ręki: do 2028 roku planuje się zainstalować odpowiedni system rentgenowski w zakładzie PowerCo w Salzgitter. System ten jest skalowalny pod kątem różnych formatów ogniw oraz nowych chemii ogniw – „ważna zaleta w rozwoju przyszłych pokoleń baterii”, według Instytutu Fraunhofera.

HW Vassen, CTO w PowerCo, skomentował: „Dzięki szybkiemu obrazowaniu rentgenowskiemu na miejscu przenosimy badania nad bateriami na nowy poziom. Po raz pierwszy możemy uwidocznić dynamiczne procesy zachodzące wewnątrz komórek w czasie rzeczywistym oraz w zwolnionym tempie. Ta bezprecedensowa głębia informacji pozwala nam w sposób bardzo precyzyjny optymalizować bezpieczeństwo i projekt baterii, a także znacznie szybciej wprowadzać innowacje do użycia przemysłowego. Wspólnie z Fraunhofer EMI rozwijamy wysoką technologię produkowaną w Europie i wzmacniamy rolę kontynentu w przemyśle bateriowym.”

PowerCo została założona przez Grupę Volkswagen w 2022 roku i jest odpowiedzialna za rozwój oraz produkcję komórek baterii należących do tej grupy. Firma ma siedzibę w Salzgitter i obecnie buduje trzy fabryki komórek o łącznej zdolności produkcyjnej do 200 gigawatogodzin rocznie: w Salzgitter (Niemcy), Walencji (Hiszpania) oraz St. Thomas (Kanada).