O KAIST desenvolve tecnologia de inspeção ultraprecisa para prevenir incêndios nas baterias dos veículos elétricos
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Foi desenvolvida uma tecnologia de inspeção ultraprecisa que poderá ajudar a prevenir incêndios nas baterias dos veículos elétricos e a melhorar a segurança das mesmas. Uma equipa de investigação do KAIST desenvolveu um método capaz de detetar variações mínimas na espessura dos elétrodos das baterias que podem contribuir para o sobreaquecimento, com uma precisão equivalente a aproximadamente um décimo de milésimo do diâmetro de um cabelo humano, tudo isto sem desmontar nem danificar a bateria. Espera-se que a tecnologia melhore a segurança e a qualidade das baterias, identificando defeitos invisíveis durante o processo de fabrico.
Figura 1. Medição da espessura do elétrodo de uma bateria de iões de lítio utilizando interferometria Fabry–Pérot de terahertz com referência a um pente de frequências óticas
KAIST
O KAIST (Presidente Choongsik Bae) anunciou, a 23 de julho, que uma equipa de investigação liderada pelo Professor Young-Jin Kim, do Departamento de Engenharia Mecânica, desenvolveu uma tecnologia que mede a espessura dos elétrodos das baterias de iões de lítio de forma sem contacto e não destrutiva.
A tecnologia combina ondas de terahertz (ondas eletromagnéticas na região espectral entre a luz e as ondas de rádio) para obter informações do interior dos elétrodos das baterias com um pente de frequências ótico, que divide a frequência da luz em intervalos uniformemente espaçados, tal como as marcações numa régua, e serve de referência para medições ultraprecisas.
Os elétrodos das baterias de iões de lítio, amplamente utilizadas em veículos elétricos, são componentes essenciais através dos quais a corrente elétrica flui. Mesmo uma ligeira variação na espessura dos elétrodos pode fazer com que a corrente se concentre em determinadas áreas durante o carregamento e a descarga, gerando calor. Se o calor continuar a acumular-se, pode levar a um «fuga térmica», um fenómeno em que a temperatura interna de uma bateria aumenta rapidamente e pode resultar num incêndio ou numa explosão. Manter uma espessura uniforme dos elétrodos é, por isso, de importância crítica durante o fabrico das baterias.
No entanto, as tecnologias de inspeção existentes apresentam limitações quando aplicadas em ambientes de produção. A tomografia computadorizada por raios X pode fornecer imagens detalhadas das estruturas internas, mas o seu tempo de inspeção relativamente longo dificulta a sua utilização em linhas de produção de alta velocidade. A microscopia acústica ultrassónica requer contacto direto com um meio líquido, enquanto os sensores de deslocamento a laser podem realizar medições rápidas, mas têm dificuldade em analisar com precisão as estruturas no interior de um elétrodo.
A equipa de investigação superou estas limitações combinando as tecnologias de pente de frequências óticas e de terahertz. Os investigadores direcionaram primeiro ondas de terahertz para um elétrodo da bateria e recolheram os sinais gerados à medida que as ondas eram repetidamente refletidas no interior do elétrodo. Em seguida, utilizaram um pente de frequências ótico como referência para analisar os sinais com uma precisão excecionalmente elevada e calcular a espessura do elétrodo. Isto permitiu medições à escala nanométrica da estrutura interna do elétrodo sem danificar a bateria.
No cerne da tecnologia está a interferência de Fabry–Pérot, um padrão de interferência com espaçamento regular produzido à medida que as ondas de terahertz viajam repetidamente para a frente e para trás entre as superfícies frontal e traseira de um elétrodo. Tal como se mede o comprimento lendo as marcações numa régua, os investigadores analisaram com precisão o padrão de interferência utilizando o pente de frequências ótico como referência para determinar a espessura do elétrodo.
Como resultado, a equipa conseguiu medir com sucesso tanto a espessura do elétrodo como o seu índice de refração complexo (uma propriedade ótica do material que indica a intensidade com que este transmite e absorve ondas eletromagnéticas) numa única medição, sem necessidade de um processo de calibração separado.
Os investigadores validaram a tecnologia utilizando elétrodos de bateria com espessuras entre 50 e 150 micrómetros, comparáveis ao diâmetro de um fio de cabelo humano. Com um tempo de medição de apenas 0,2 segundos, o sistema detetou diferenças de espessura tão pequenas quanto 70,1 nanómetros no ânodo (aproximadamente um mil e quatrocentésimo do diâmetro de um cabelo humano) e 465,5 nanómetros no cátodo. Esta velocidade de medição é considerada suficiente para utilização em linhas de produção de baterias em movimento rápido.
Quando o tempo de medição foi aumentado para 25,6 segundos, a precisão melhorou ainda mais. O sistema distinguiu diferenças tão pequenas quanto 7,8 nanómetros no ânodo (aproximadamente um décimo de milésimo do diâmetro de um cabelo humano) e 25,2 nanómetros no cátodo. Isto representa uma melhoria de até 100 vezes na precisão em comparação com os métodos convencionais de análise no domínio do tempo, permitindo a deteção de variações de espessura que são completamente invisíveis a olho nu.
A tecnologia não se limita a medir a espessura num único ponto. É capaz de gerar um mapa tridimensional da espessura ao longo de todo o elétrodo e acompanhar variações graduais de espessura em tempo real durante a produção. Os investigadores confirmaram também que o sistema conseguia medir com precisão um elétrodo inclinado num ângulo de aproximadamente 45 graus, demonstrando o seu potencial de aplicação em linhas de produção de baterias do mundo real, que funcionam a um ritmo acelerado.
O estudo é significativo porque apresenta uma nova tecnologia de inspeção capaz de identificar defeitos microscópicos invisíveis durante a produção, sem desmontar ou danificar as baterias. Para além das baterias de iões de lítio, espera-se que a tecnologia sirva como uma ferramenta fundamental de controlo de qualidade para o fabrico de baterias de estado totalmente sólido da próxima geração, que utilizam eletrólitos sólidos em vez de eletrólitos líquidos. Ao detetar defeitos numa fase inicial, a tecnologia poderá melhorar a segurança e a qualidade das baterias, permitindo simultaneamente processos de fabrico mais estáveis.
«Esta tecnologia é uma plataforma de metrologia integrada que consegue medir simultaneamente a espessura dos elétrodos e as propriedades dos materiais sem necessitar de um processo de calibração separado», afirmou o professor Kim. «Esperamos que se torne uma tecnologia fundamental para o controlo de qualidade em tempo real das linhas de produção de baterias de iões de lítio de próxima geração e de baterias totalmente de estado sólido.»
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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