O sistema de raios X do Fraunhofer revela o funcionamento interno das células de bateria

O Fraunhofer EMI desenvolveu uma tecnologia especial de raios X que torna visíveis em tempo real os processos dinâmicos nas células prismáticas de grande formato. Juntamente com a subsidiária de baterias da Volkswagen, a PowerCo, essa tecnologia está agora pronta para aplicação industrial.

O Instituto Fraunhofer de Dinâmica de Alta Velocidade, Ernst-Mach-Institut, descreve sua inovadora tecnologia de raios X como um “sistema de raios X de alta velocidade globalmente único”. Segundo os cientistas do instituto, ela revela o que acontece dentro das células de baterias de grande formato em frações de segundo sob estresse – e pode ajudar a acelerar o desenvolvimento de gerações de células mais seguras para a indústria automobilística europeia.

A abordagem tem como objetivo responder ao que acontece dentro de uma célula de bateria quando ela falha. Até agora, os fabricantes de células e os integradores de veículos dependiam de simulações, métodos de teste destrutivo ou medições indiretas. No entanto, o método desenvolvido pela Fraunhofer EMI agora permite uma visão direta da célula em funcionamento. Segundo a equipe, o sistema combina tecnologia de raios X de alto desempenho com uma câmara de teste de bateria especialmente desenvolvida, além de tecnologia de sensores abrangente para o registro simultâneo da temperatura, pressão, tensão e fluxo de gás: “Ao registrar até 1.000 imagens por segundo, ele revela processos como formação de gás, deslocamento de materiais e propagação de fissuras dentro da célula em resolução extremamente alta — eventos que até agora permaneciam ocultos.”

Dr. Sebastian Schopferer, chefe de Segurança de Baterias na Fraunhofer EMI, destaca: “Nosso método in situ nos permite observar o que acontece dentro de uma célula em frações de segundo — em tempo real e com a maior resolução possível. Isso muda fundamentalmente a maneira como entendemos o design e a segurança das baterias.” Uma conquista engenharia importante foi o desenvolvimento de uma câmara protetora que protege com confiabilidade os componentes sensíveis a raios X das condições extremas durante o descontrole térmico das células de íon de lítio.

A relevância dessa abordagem é ainda mais evidenciada pelo forte interesse do setor: a Fraunhofer EMI informou que já caracterizou o ejetamento de materiais durante fugas térmicas e o comportamento de propagação em configurações multi-célula para vários fabricantes alemães de automóveis, incluindo VW e Audi. De acordo com um comunicado: “Os dados obtidos permitem que os engenheiros avaliem os projetos das células com base em processos observados diretamente e aprimorem os modelos de simulação com maior precisão, gerando valor agregado direto para os processos de desenvolvimento e certificação de produtos.”

O projeto está intimamente ligado à PowerCo, a subsidiária de baterias da Volkswagen. Na próxima fase, o Fraunhofer EMI e a PowerCo pretendem transformar conjuntamente essa tecnologia em uma aplicação industrial. O instituto contribui com sua expertise em pesquisa de materiais, testes de estresse nas baterias e imagens em alta velocidade, enquanto a PowerCo fornece os requisitos para produção em série e acesso a tipos reais de células.

Os resultados iniciais dessa colaboração já estão sendo incorporados no desenvolvimento de células em série otimizadas na PowerCo. Embora isso ainda exija esforços logísticos, há um fim visível: até 2028, um sistema de raios X correspondente será instalado na unidade da PowerCo em Salzgitter. O sistema é escalável para vários formatos de células e novas químicas celulares – “uma vantagem importante para o desenvolvimento de futuras gerações de baterias”, segundo o Instituto Fraunhofer.

HW Vassen, CTO da PowerCo, comentou: “Graças à imagemologia de raios X de alta velocidade in situ, estamos levando a pesquisa em baterias a um novo nível. Pela primeira vez, podemos tornar visíveis os processos dinâmicos dentro das células em tempo real e em câmera lenta. Essa profundidade sem precedentes de análise nos permite otimizar a segurança e o design das células de bateria de maneira altamente direcionada, trazendo inovações para uso industrial muito mais rapidamente. Juntamente com a Fraunhofer EMI, estamos impulsionando a alta tecnologia produzida na Europa e fortalecendo o papel da Europa no setor de baterias.”

A PowerCo foi fundada pelo Grupo Volkswagen em 2022 e é responsável pelo desenvolvimento e produção das células de bateria do grupo. A empresa tem sede em Salzgitter e está atualmente construindo três fábricas de células com capacidade total de até 200 gigawatt-hora por ano: em Salzgitter (Alemanha), Valência (Espanha) e St. Thomas (Canadá).