Il KAIST sviluppa una tecnologia di ispezione ultraprecisa per prevenire gli incendi delle batterie dei veicoli elettrici
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È stata sviluppata una tecnologia di ispezione ultraprecisa che potrebbe contribuire a prevenire gli incendi delle batterie dei veicoli elettrici e a migliorarne la sicurezza. Un gruppo di ricerca del KAIST ha messo a punto un metodo in grado di rilevare minime variazioni nello spessore degli elettrodi delle batterie, che possono contribuire al surriscaldamento incontrollato, con una precisione pari a circa un decimillesimo del diametro di un capello umano, il tutto senza smontare o danneggiare la batteria. Si prevede che questa tecnologia migliorerà la sicurezza e la qualità delle batterie, consentendo di individuare difetti invisibili durante il processo di produzione.
Figura 1. Misurazione dello spessore degli elettrodi di una batteria agli ioni di litio mediante interferometria Fabry–Pérot a terahertz con riferimento al pettine di frequenze ottiche
KAIST
Il KAIST (Presidente Choongsik Bae) ha annunciato il 23 luglio che un gruppo di ricerca guidato dal professor Young-Jin Kim del Dipartimento di Ingegneria Meccanica ha sviluppato una tecnologia che misura lo spessore degli elettrodi delle batterie agli ioni di litio in modo non a contatto e non distruttivo.
La tecnologia combina le onde terahertz (onde elettromagnetiche nella regione spettrale compresa tra la luce e le onde radio) per ottenere informazioni dall’interno degli elettrodi delle batterie con un pettine di frequenze ottiche, che divide la frequenza della luce in intervalli uniformemente distanziati come le tacche su un righello e funge da riferimento per misurazioni ultraprecise.
Gli elettrodi delle batterie agli ioni di litio, ampiamente utilizzate nei veicoli elettrici, sono componenti essenziali attraverso i quali scorre la corrente elettrica. Anche una minima variazione dello spessore degli elettrodi può causare una concentrazione della corrente in determinate aree durante la carica e la scarica, generando calore. Se il calore continua ad accumularsi, può verificarsi un “runaway termico”, un fenomeno in cui la temperatura interna della batteria aumenta rapidamente e può provocare un incendio o un’esplosione. Mantenere uno spessore uniforme degli elettrodi è quindi di fondamentale importanza durante la produzione delle batterie.
Le tecnologie di ispezione esistenti, tuttavia, presentano dei limiti quando vengono applicate agli ambienti di produzione. La tomografia computerizzata a raggi X è in grado di fornire immagini dettagliate delle strutture interne, ma i tempi di ispezione relativamente lunghi ne rendono difficile l’utilizzo su linee di produzione ad alta velocità. La microscopia acustica a ultrasuoni richiede il contatto diretto con un mezzo liquido, mentre i sensori di spostamento laser possono eseguire misurazioni rapide ma hanno difficoltà ad analizzare con precisione le strutture all’interno di un elettrodo.
Il team di ricerca ha superato questi limiti combinando le tecnologie del pettine di frequenze ottiche e dei terahertz. I ricercatori hanno innanzitutto diretto le onde terahertz verso un elettrodo della batteria e raccolto i segnali generati dal ripetuto riflesso delle onde all’interno dell’elettrodo. Hanno poi utilizzato un pettine di frequenze ottico come riferimento per analizzare i segnali con precisione eccezionalmente elevata e calcolare lo spessore dell’elettrodo. Ciò ha consentito di effettuare misurazioni su scala nanometrica della struttura interna dell’elettrodo senza danneggiare la batteria.
Alla base di questa tecnologia c’è l’interferenza di Fabry–Pérot, un modello di interferenza a spaziatura regolare che si produce quando le onde terahertz viaggiano ripetutamente avanti e indietro tra la superficie anteriore e quella posteriore di un elettrodo. Proprio come quando si misura una lunghezza leggendo le tacche su un righello, i ricercatori hanno analizzato con precisione il modello di interferenza utilizzando il pettine di frequenza ottico come riferimento per determinare lo spessore dell’elettrodo.
Di conseguenza, il team è riuscito a misurare sia lo spessore dell’elettrodo sia il suo indice di rifrazione complesso (una proprietà ottica del materiale che indica la sua capacità di trasmettere e assorbire le onde elettromagnetiche) in un’unica misurazione, senza richiedere un processo di calibrazione separato.
I ricercatori hanno convalidato la tecnologia utilizzando elettrodi per batterie con uno spessore compreso tra 50 e 150 micrometri, paragonabile al diametro di un capello umano. Con un tempo di misurazione di soli 0,2 secondi, il sistema ha rilevato differenze di spessore minime pari a 70,1 nanometri nell’anodo (circa un quattordicesimo del diametro di un capello umano) e a 465,5 nanometri nel catodo. Questa velocità di misurazione è considerata sufficiente per l’impiego su linee di produzione di batterie in rapido movimento.
Quando il tempo di misurazione è stato portato a 25,6 secondi, la precisione è ulteriormente migliorata. Il sistema ha individuato differenze minime pari a 7,8 nanometri nell’anodo (circa un decimillesimo del diametro di un capello umano) e a 25,2 nanometri nel catodo. Ciò rappresenta un miglioramento della precisione fino a 100 volte superiore rispetto ai metodi convenzionali di analisi nel dominio del tempo, consentendo il rilevamento di variazioni di spessore completamente invisibili a occhio nudo.
La tecnologia non si limita alla misurazione dello spessore in un singolo punto. È in grado di generare una mappa tridimensionale dello spessore su un intero elettrodo e di monitorare in tempo reale le variazioni graduali di spessore durante la produzione. I ricercatori hanno inoltre confermato che il sistema è in grado di misurare con precisione un elettrodo inclinato di circa 45 gradi, dimostrando il suo potenziale di applicazione alle linee di produzione di batterie reali, caratterizzate da un ritmo elevato.
Lo studio è significativo perché presenta una nuova tecnologia di ispezione in grado di identificare difetti microscopici invisibili durante la produzione senza smontare o danneggiare le batterie. Oltre che per le batterie agli ioni di litio, si prevede che questa tecnologia funga da strumento chiave per il controllo di qualità nella produzione delle batterie all-solid-state di prossima generazione, che utilizzano elettroliti solidi al posto di quelli liquidi. Rilevando i difetti in una fase precoce, la tecnologia potrebbe migliorare la sicurezza e la qualità delle batterie, consentendo al contempo processi di produzione più stabili.
«Questa tecnologia è una piattaforma metrologica integrata in grado di misurare contemporaneamente lo spessore degli elettrodi e le proprietà dei materiali senza richiedere un processo di calibrazione separato», ha affermato il professor Kim. «Prevediamo che diventerà una tecnologia fondamentale per il controllo di qualità in tempo reale delle linee di produzione delle batterie agli ioni di litio di nuova generazione e delle batterie interamente allo stato solido».
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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