CORDIS - Wyniki badań wspieranych przez UE
CORDIS

GHz nanoscale electrical and dielectric measurements of the solid-electrolyte interface and applications in the battery manufacturing line

Article Category

Article available in the following languages:

Nowe metody kontroli jakości na linii interfejsu ciało stałe-elektrolit w akumulatorach

Zestaw narzędzi nanotechnologicznych i szerokopasmowych częstotliwości do charakterystyki elementów akumulatorów pojazdów elektrycznych z wysoką rozdzielczością w rzeczywistych warunkach mógłby zrewolucjonizować jakość produkcji.

Zmiana klimatu i środowisko icon Zmiana klimatu i środowisko
Technologie przemysłowe icon Technologie przemysłowe

Jako że pojazdy elektryczne stają się coraz powszechniejsze, akumulatory pozostają kluczowym obszarem badań. Aby zrozumieć i udoskonalić procesy ładowania, rozładowywania i starzenia się akumulatorów pojazdów elektrycznych, trzeba dysponować charakterystyką komponentów w skali mikro w rzeczywistych warunkach. Charakterystyka impedancji akumulatorów w mikro- i nanoskali nie została jeszcze zbadana. Jako pierwszy na świecie zespół finansowanego przez Unię Europejską projektu NanoBat wypełnił tę krytyczną lukę dzięki nanotechnologii o częstotliwości radiowej rzędu gigaherców (GHz) i narzędziom do pomiaru impedancji w mikroskali dla baterii litowo-jonowych i innych. Będą one wspierać produkcję baterii i europejską pozycję lidera na tym rosnącym rynku światowym.

Bliższy rzut oka na granicę faz elektrolitu stałego

Granica faz elektrolitu stałego elektrody, powstająca w skomplikowanym procesie na końcu łańcucha produkcyjnego ogniw akumulatorowych, odpowiada za znaczną część kosztów produkcji akumulatorów pojazdów elektrycznych. Ta bardzo cienka warstwa (poniżej jednej tysięcznej średnicy włosa) ma kluczowe znaczenie dla wydajności, niezawodności i trwałości ogniwa akumulatorowego. Niestety, bardzo często cechuje się ona nieprawidłowościami lub defektami, które są trudne do wykrycia. Według koordynatora projektu NanoBat Ferry'ego Kienbergera ze spółki Keysight Technologies w Austrii, „techniki i modele pomiarów elektrycznych NanoBat skupiły się na zrozumieniu i przewidywaniu niezawodności warstwy granicy faz elektrolitu stałego przed wbudowaniem ogniwa akumulatora pojazdu elektrycznego do ostatecznego modułu lub pakietu akumulatora”.

Zestaw narzędzi szerokopasmowych częstotliwości dla technik wysokiej rozdzielczości w naturalnych warunkach pracy

Jeśli chodzi o mikroskopię ze skanującą sondą, „rozszerzyliśmy częstotliwość pracy skanującego mikroskopu mikrofalowego do 20 GHz, zwiększając rozdzielczość impedancji w nanoskali 100-krotnie w porównaniu z mikroskopami o niskiej częstotliwości”. Czas obrazowania mikroskopów został zmniejszony z około pół godziny na klatkę do kilku minut przy zachowaniu rozdzielczości bocznej”, wyjaśnia Kienberger. „Nowo skalibrowana metoda elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej, która jest 10 razy bardziej czuła przy częstotliwościach do 100 kHz, pozwoliła badaczom dokonać pomiarów dużych ogniw akumulatorowych pojazdów elektrycznych (pakiet 396 ogniw) z rozdzielczością impedancji rzędu kilku mikroomów”, dodaje Kienberger. System elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej skalibrowano metrologicznie i zweryfikowano w ramach testu «round-robin» z producentami oryginalnego sprzętu (OEM). Na koniec zespół opracował pomiar samorozładowania na potrzeby kontroli jakości ogniw oraz nowy test separatora wysokiego napięcia. Pierwszy z nich skraca czas testowania ogniw w liniach produkcyjnych akumulatorów pojazdów elektrycznych z tygodnia do 20 minut, co pozwoli ograniczyć ilość odpadów materiałowych i kosztowny demontaż nieprawidłowo działających pakietów ogniw.

Zadowolenie wymagających interesariuszy, przyspieszenie dostępu

Zespół projektu NanoBat zademonstrował swoje oparte na nanonauce modele impedancji i metody testów metrologicznych w pilotażowej linii produkcyjnej i testach terenowych OEM. „Główni gracze europejskiego sektora produkcji baterii do pojazdów elektrycznych (BMW i SAFT) są członkami grupy interesariuszy NanoBat; współpracowali też w zakresie badań i publikacji. Wymagają oni dokładności, wiarygodności danych i wysokiego poziomu analizy niepewności – wszystkie te elementy zapewnia społeczność NanoBat”, zauważa Kienberger. Partner Pleione Energy (Grecja) oferuje obecnie usługę linii pilotażowej akumulatorów pojazdów elektrycznych, zaś partner z Polski wprowadził otwartą platformę internetową dla nieniszczącej charakterystyki materiałów. W obu tych przypadkach włączono do prac wyniki projektu NanoBat. Szwajcarski Federalny Instytut Metrologii oferuje nową metodę mikroskopii z sondą skanującą NanoBat w swoim portfolio usług. Szwajcarski Federalny Instytut Metrologii oferuje nową metodę mikroskopii z sondą skanującą NanoBat w swoim portfolio usług. Ogromne zaangażowanie na LinkedIn – do 10 000 wyświetleń na post – potwierdza, że NanoBat zjednoczył różne jednostki badawcze, takie jak uniwersytety, małe przedsiębiorstwa i głównych europejskich graczy w zakresie elektryfikacji samochodów i pojazdów, wspierając europejski Zielony Ład i strategie neutralności węglowej.

Słowa kluczowe

NanoBat, pojazd elektryczny, akumulator pojazdu elektrycznego, ogniwo akumulatorowe, granica faz elektrolitu stałego, elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna, mikroskopia z sondą skanującą

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania