Рентгеновская система Fraunhoferа позволяет увидеть внутреннюю структуру элементов аккумуляторов.

Институт Fraunhofer EMI разработал специальную рентгеновскую технологию, позволяющую в реальном времени наблюдать динамические процессы в больших призматических аккумуляторных элементах. Совместно с дочерней компанией Volkswagen по производству аккумуляторов PowerCo эта технология готова к промышленному применению.

Институт высокоскоростной динамики имени Эрнста Маха при Fraunhofer описывает свою инновационную рентгеновскую технологию как «уникальную в мире высокоскоростную рентгеновскую систему». По словам ученых института, она позволяет за доли секунды при нагрузке увидеть происходящее внутри крупных аккумуляторных элементов, что может способствовать ускорению разработки более безопасных поколений аккумуляторов для европейской автомобильной промышленности.

Цель этого подхода — выяснить, что происходит внутри элемента аккумулятора при его отказе. До сих пор производители элементов и интеграторы транспортных средств опирались на моделирование, методы разрушающих испытаний или косвенные измерения. Однако метод, разработанный Fraunhofer EMI, теперь позволяет получить прямой обзор работы элемента аккумулятора. По словам команды, система сочетает в себе высокопроизводительные рентгеновские технологии с специально разработанной камерой для тестирования аккумуляторов и современными датчиками для одновременной регистрации температуры, давления, напряжения и потока газа: «Записывая до 1 000 изображений в секунду, она позволяет с высокой степенью детализации наблюдать такие процессы, как образование газа, смещение материалов и распространение трещин внутри элемента аккумулятора — явления, которые до сих пор оставались невидимыми».

Доктор Себастьян Шопферер, руководитель отдела безопасности аккумуляторов в Fraunhofer EMI, подчеркивает: «Наш метод непосредственного наблюдения позволяет видеть, что происходит внутри элемента аккумулятора за доли секунды — в реальном времени и с максимальным разрешением. Это коренным образом меняет наше понимание проектирования и безопасности аккумуляторов». Одним из ключевых инженерных достижений стала разработка защитной камеры, которая надежно оберегает чувствительные рентгеновские компоненты от экстремальных условий, возникающих при тепловом срыве литиево-ионных элементов.

Актуальность этого подхода дополнительно подтверждается большим интересом со стороны отрасли: Fraunhofer EMI сообщил, что уже проводил исследования процесса выброса материалов во время теплового срыва и поведения процесса распространения в многокамерных установках для нескольких немецких автопроизводителей, включая VW и Audi. Как говорится в заявлении: «Результаты этих исследований позволяют инженерам оценивать конструкции камер на основе непосредственно наблюдаемых процессов и с большей точностью усовершенствовать модели симуляции, что приносит прямую пользу в процессах разработки продукции и сертификации».

Этот проект тесно связан с PowerCo, дочерней компанией Volkswagen, занимающейся производством аккумуляторов. На следующем этапе Fraunhofer EMI и PowerCo планируют совместно внедрить эту технологию в промышленное использование. Институт вносит свой вклад экспертизой в области исследования материалов, тестирования на износ аккумуляторов и высокоскоростной съемки, в то время как PowerCo обеспечивает требования к серийному производству и доступ к реальным типам элементов питания.

Первые результаты сотрудничества уже используются при разработке оптимизированных элементов питания в PowerCo. Хотя это все еще требует значительных логистических усилий, конечная цель уже видна: к 2028 году на заводе PowerCo в Зальцгиттере планируется установить соответствующую рентгеновскую систему. Эта система поддерживает различные форматы элементов питания и новые химические составы — «что является важным преимуществом для разработки будущих поколений аккумуляторов», — отмечает Институт Фраунгофера.

Главный технический директор PowerCo ХВ Вассен прокомментировал: «Благодаря высокоскоростной рентгеновской визуализации в процессе эксперимента мы выводим исследования аккумуляторов на новый уровень. Впервые мы можем наблюдать динамические процессы внутри аккумуляторных элементов в реальном времени и в замедленной съемке. Такая беспрецедентная глубина анализа позволяет нам более целенаправленно оптимизировать безопасность и конструкцию аккумуляторных элементов, а также гораздо быстрее внедрять инновации в промышленное использование. Вместе с Fraunhofer EMI мы способствуем развитию высоких технологий европейского производства и укрепляем роль Европы в индустрии аккумуляторов».

Компания PowerCo была основана группой Volkswagen в 2022 году и отвечает за разработку и производство аккумуляторных элементов этой группы. Штаб-квартира компании находится в Зальцгиттере, и в настоящее время там строятся три завода по производству аккумуляторных элементов с общей мощностью до 200 гигаватт-часов в год: в Зальцгиттере (Германия), Валенсии (Испания) и Сент-Томасе (Канада).