Nya metoder för kvalitetskontroll av den fasta elektrolytens interfas i produktionslinjen för batterier
När det nu kommer ut allt fler elbilar på vägarna blir batterier ett fortsatt viktigt forskningsområde. För att kunna förstå och förbättra processerna när elbilsbatterier laddas, laddas ur och åldras, behöver komponenterna karaktäriseras i mikroskala under verkliga förhållanden. Batteriers impedansegenskaper i mikro- och nanoskala har ännu inte undersökts. Som det första i världen har det EU-finansierade projektet NanoBat fyllt den här viktiga luckan, med radiofrekvent nanoteknik på gigahertznivå (GHz) och impedansmätningsverktyg i mikroskala för litiumjonbatterier och längre än så. Verktygen blir ett stöd för batteriproduktionen och Europas ledande position på denna växande globala marknad.
Inzoomning på den fasta elektrolytens interfas
I batterielektroden skapas den fasta elektrolytens interfas (SEI) vid en sofistikerad process i slutet av battericellens produktionskedja. Den processen står för en betydande del av tillverkningskostnaden för elbilsbatterier. Det mycket tunna lagret – mindre än en tusendel av diametern på ett hårstrå – är avgörande för battericellens prestanda, tillförlitlighet och tålighet, och har mycket ofta abnormaliteter eller defekter som är svåra att upptäcka. Enligt NanoBat-samordnaren Ferry Kienberger på Keysight Technologies i Österrike ”har NanoBats tekniker och modeller för elektriska mätningar varit inriktade på att förstå och förutsäga SEI-lagrets tillförlitlighet innan elbilsbattericellen byggs in i en slutlig batterimodul eller batteripaket.”
En verktygslåda med olika slags teknik med hög upplösning och bredbandsfrekvenser under naturliga driftförhållanden
När det gällde skanningsprobmikroskopin ”utökade vi driftsfrekvensen för skanningsmikroskopet till 20 GHz, så att det blev 100 gånger högre impedansupplösning på nanoskalan jämfört med lågfrekvensmikroskop. Mikroskopets bildtagningstid minskades från ca en halvtimme per bildruta till flera minuter samtidigt som vi upprätthöll den laterala upplösningen”, förklarar Keinberger. ”Genom en nykalibrerad metod för elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) som är tio gånger känsligare vid frekvenser upp till 100 kHz, kunde forskarna göra mätningar på stora elbilsbattericeller (ett paket på 396 celler) med en impedansupplösning på några få mikroohm”, tillägger Kienberger. EIS-systemet kalibrerades metrologiskt och verifierades i en provningsjämförelse med originalutrustningstillverkare. Slutligen utvecklade teamet en självurladdningsmätning för cellkvalitetskontroll och ett nytt högspänningsseparatortest. Det sistnämnda minskar cellprovningstiden i elbatteriernas produktionslinjer från en vecka till 20 minuter, och det minskar i sin tur materialavfallet och den kostsamma nedmonteringen av dåligt fungerande cellpaket.
Nogräknade intressenter blir nöjda och tillgången påskyndas
NanoBat visade upp sina nanovetenskapsbaserade impedansmodeller och metrologiska testmetoder i pilotlinjetillverkning och vid fälttester hos originalutrustningstillverkare. ”Stora aktörer på området för elbilsbatteritillverkning i Europa (BMW och SAFT) är medlemmar i NanoBats intressentgrupp och har samarbetat med oss kring forskning och publikationer. De kräver exakta data, tillförlitlighet i uppgifterna och osäkerhetsanalys på hög nivå, och allt detta har vi i NanoBat-kretsarna kunnat uppfylla väl”, upplyser Kienberger. Partnern Pleione Energy (Grekland) erbjuder nu en pilotlinjetjänst för elbilsbatterier, och partnern Polen har infört en öppen webbplattform för karaktärisering av icke-destruktiva material, båda med hjälp av resultaten från NanoBat. Det schweiziska federala institutet för metrologi erbjuder NanoBats nya metod för skanningsprobmikroskopi i sitt tjänsteutbud. Det väldiga engagemanget på LinkedIn – upp till 10 000 visningar per inlägg – bekräftar att NanoBat har lyckats förena olika forskningsenheter som universitet och högskolor, småföretag och framträdande europeiska aktörer i elektrifieringen av bilar och fordon, till nytta för den europeiska gröna given och strategier för koldioxidneutralitet.
Keywords
NanoBat, elbilar, elbilsbatteri, battericell, elbil, SEI, fasta elektrolytens interfas, EIS, elektrokemisk impedansspektroskopi, skanningsprobmikroskopi