Новое исследование показало, что ультразвуковые датчики размером с ноготь большого пальца могут сканировать литий-ионные батареи, чтобы проверить их заряд, состояние и безопасность.
Полученные данные свидетельствуют о том, что ультразвук, то есть звуковые волны на частотах выше человеческого слуха, может однажды помочь электромобилям лучше оценить, сколько заряда осталось в их батареях. Этот подход может также помочь обнаружить нестабильные батареи на грани катастрофы, быстро проверить качество батарей во время производства и определить, какие использованные батареи достаточно исправны, чтобы их можно было перепродать, чтобы уменьшить количество отходов, говорит ведущий автор исследования Хунбин Сун , инженер-УЗИ из Ок-Ридж . Национальная лаборатория в Теннесси.
Оценка того, сколько заряда осталось в коммерческой литий-ионной батарее, в настоящее время является сложной задачей. Например, электромобили обычно испытывают погрешность около 10 процентов при оценке заряда батареи. Это, в свою очередь, уменьшает дальность их движения примерно на 10 процентов, чтобы гарантировать, что они останутся в пределах безопасного диапазона своих батарей.
Чтобы найти простой, недорогой и неразрушающий способ оценки заряда литий-ионного аккумулятора, ученые исследовали ультразвук. Когда литий-ионные батареи разряжаются и перезаряжаются, лежащие в их основе электрохимические реакции приводят к механическим изменениям свойств и структуры их компонентов, которые, в принципе, можно обнаружить с помощью ультразвукового сканирования.
В предыдущих работах по ультразвуковому сканированию литий-ионных аккумуляторов обычно экспериментировали только с одной ультразвуковой частотой. В новом исследовании исследователи изучили несколько ультразвуковых частот, чтобы увидеть, какие преимущества и недостатки могут быть у каждой из них при оценке заряда батареи.
В экспериментах ученые использовали коммерческие стандартные ультразвуковые датчики шириной около 1,25 сантиметра для контроля за ячейками литий-ионных аккумуляторов емкостью 2,4 ампер-часа во время зарядки и разрядки. Они протестировали относительно низкочастотные ультразвуковые волны 750 кГц, 1 мегагерц и 1,5 МГц, поскольку материалы батареи в значительной степени поглощают частоты выше этого. (Для справки, люди могут слышать частоты примерно от 20 Гц до 20 кГц.)
Исследователи заметили, что волновые скорости всех трех частот связаны с состоянием заряда. То, как волны ослабевали, также помогло выявить, как материалы в батарее менялись с точки зрения фазы во время зарядки и разрядки.
«Предложенный нами метод обеспечивает быстрое и недорогое решение для оценки производительности батареи и понимания фазовых изменений материала во время зарядки и разрядки батареи», — говорит Сан. «Для промышленных приложений его потенциально можно использовать для прогнозирования состояния заряда батареи и оценки того, теряет ли батарея способность удерживать заряд».
Сан отмечает, что потенциальным применением этого метода будет встраивание недорогих пьезоэлектрических ультразвуковых датчиков в аккумуляторы электромобилей для их постоянного мониторинга. Он говорит, что в настоящее время этот метод имеет погрешность около 5 процентов при оценке заряда батареи, что примерно в два раза лучше, чем у существующих методов. «Мы ожидаем, что за счет улучшения калибровки датчика и учета влияния температуры во время измерений погрешность может быть снижена примерно до 2 процентов», — говорит Сан. «Мы ожидаем, что это снижение неопределенности приведет к увеличению диапазона EV».
Более того, с помощью ультразвукового сканирования «неисправные батареи можно легко обнаружить», — говорит Сан. Ультразвуковое сканирование «может также обеспечить раннее предупреждение о возгорании батареи, поскольку ультразвук очень чувствителен к изменениям температуры и материалам внутри батареи».
Будущие исследования должны проверить этот метод на нескольких типах литий-ионных аккумуляторов, а также на различных скоростях зарядки и большем количестве циклов зарядки; метод «все еще требует много дополнительной работы и проверки техники перед коммерциализацией», — говорит Сан.
Ученые подробно описали свои выводы в выпуске журнала Journal of Power Sources.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com