Литий-ионная батарея может за доли секунды превратиться из обычного источника энергии в раскалённый химический реактор. Инженеры обычно видят лишь последствия такого отказа, рост температуры, давление, дым, пламя и разрушенный корпус. Исследователи немецкого Института динамики быстропротекающих процессов имени Эрнста Маха Fraunhofer EMI разработали рентгеновскую установку, которая позволяет наблюдать катастрофу прямо внутри аккумуляторной ячейки со скоростью до 1000 кадров в секунду.
Разработка предназначена прежде всего для крупных призматических ячеек, которые используют в электромобилях. Во время эксперимента инженеры намеренно создают опасные условия, например прокалывают аккумулятор металлическим стержнем и провоцируют внутреннее короткое замыкание. Рентген в реальном времени показывает, как внутри образуются газы, смещаются электроды, распространяются повреждения и начинается тепловой разгон.
Тепловым разгоном называют цепную экзотермическую реакцию, при которой нагрев батареи запускает новые реакции, а выделяемое ими тепло ещё сильнее повышает температуру. Давление внутри корпуса быстро растёт, электролит и другие материалы разлагаются, образуются горючие газы. В тяжёлых случаях ячейка разрывается или выбрасывает раскалённые частицы, способные нагреть соседние аккумуляторы и запустить цепную реакцию уже во всём батарейном модуле. Именно развитие аварии на протяжении первых миллисекунд долго оставалось одной из самых сложных частей исследования аккумуляторной безопасности.
Сама идея снимать горящие аккумуляторы рентгеном появилась не сейчас. Исследователи уже много лет проводят подобные эксперименты на мощных синхротронах, включая Европейский центр синхротронного излучения ESRF во Франции. Такие установки дают очень высокую пространственную и временную детализацию, но требуют огромной исследовательской инфраструктуры, а поле зрения ограничивает размер изучаемого объекта. Fraunhofer EMI перенёс принцип в лабораторную установку, способную целиком охватить крупноформатную автомобильную ячейку. Именно сочетание высокой скорости, большого поля зрения и возможности работать вне синхротрона делает новую систему особенно интересной для автопрома.
Рентгеновский детектор записывает до 1000 кадров в секунду с разрешением 1024 × 1024 пикселя. Эффективный шаг пикселя составляет около 188 микрометров, расстояние между источником излучения и детектором достигает 777 мм. Исследователи подобрали такой масштаб специально, чтобы в кадр помещалась вся ширина крупной призматической ячейки. В экспериментах использовалась литий-ионная ячейка с никель-марганец-кобальтовым катодом NMC.
Поэтому новую технологию не стоит путать с обычной компьютерной томографией аккумуляторов. КТ строит подробную трёхмерную модель внутренней структуры и хорошо подходит для поиска производственных дефектов, но для получения объёма требуется множество проекций. Fraunhofer EMI использует скоростную рентгенографию и получает последовательность двумерных изображений с миллисекундным интервалом. Пространственная детализация получается ниже, зато инженеры могут следить за чрезвычайно быстрым разрушением целой автомобильной ячейки практически в реальном времени.
Особенно интересной оказалась возможность увидеть не только начало короткого замыкания. В опубликованных экспериментах исследователи проследили последовательность событий вплоть до образования газа, срабатывания встроенных защитных механизмов, блокировки вентиляционного канала и выброса терминала ячейки. Анализ рентгеновских кадров также позволяет измерять движение материалов и пути распространения газа, а затем сопоставлять внутренние события с показаниями обычных датчиков.
Для этого аккумулятор помещают в специальную защитную камеру. Одновременно с рентгеновской съёмкой система измеряет температуру, давление, напряжение и поток выходящего газа. Все каналы синхронизированы по времени, поэтому исследователь может увидеть, какое внутреннее изменение произошло непосредственно перед скачком температуры или давления. Камера должна выдерживать пожар, горячие газы и выброс частиц, не позволяя аварии уничтожить дорогостоящее рентгеновское оборудование.
Подобный подход способен показать слабые места, которые невозможно уверенно определить по одной только температуре или внешнему виду разрушенной батареи. Например, вентиляционный клапан может открыться, но внутренние материалы перекроют путь газу. Давление продолжит расти и приведёт к разрушению корпуса в неожиданном месте. Более ранние исследования с высокоскоростной рентгенографией уже показывали случаи закупорки вентиляционных каналов, разрыва боковых стенок и распространения теплового разгона между соседними ячейками.
Для автопроизводителей подобная информация особенно ценна при проектировании батарейного блока. Инженеры могут менять расположение клапанов, внутреннюю конструкцию ячейки, теплоизоляцию и расстояния между элементами, а затем наблюдать не только финальный результат испытания, но и сам механизм отказа. Полученные данные также помогают проверять компьютерные модели теплового разгона, которые используют при разработке и сертификации аккумуляторных систем.
Fraunhofer EMI уже применял технологию в проектах для нескольких немецких автопроизводителей, включая Volkswagen и Audi. Исследователи изучали выброс материала из разрушающихся ячеек и распространение теплового разгона в системах из нескольких аккумуляторов.
Следующий этап пройдёт вместе с PowerCo, аккумуляторным подразделением Volkswagen Group. Компания предоставит серийные типы ячеек и требования промышленного производства, а Fraunhofer EMI займётся рентгеновской диагностикой и аварийными испытаниями. Первые результаты совместной работы уже используют при разработке будущих аккумуляторных ячеек PowerCo.
В 2028 году подобную рентгеновскую систему планируют установить на площадке PowerCo в немецком Зальцгиттере. Установка получила модульную архитектуру, поэтому её можно адаптировать под ячейки разных размеров и новые химические составы. Речь идёт скорее о мощном инструменте для разработки и испытаний, а не о рентгеновском аппарате, через который станут пропускать каждую батарею на конвейере.
Значение разработки хорошо видно на фоне эволюции подобных исследований. Ещё в 2015 году учёные использовали высокоскоростную синхротронную томографию, чтобы увидеть разрушение цилиндрических аккумуляторов 18650. Позднее специалисты научились отслеживать перемещение электродов, разрыв стенок и передачу теплового разгона соседним ячейкам. Теперь Fraunhofer EMI пытается превратить метод, прежде привязанный главным образом к большим научным установкам, в практический лабораторный инструмент для автомобильной промышленности.
Главный результат новой системы заключается не в красивом рентгеновском видео горящей батареи. Инженеры получают возможность увидеть момент, когда безопасная на вид ячейка начинает разрушаться изнутри, проследить дальнейшие события буквально по миллисекундам и понять, какая деталь конструкции превратила локальный дефект в пожар. Для электромобилей с сотнями или тысячами аккумуляторных элементов несколько миллисекунд внутренней истории одной ячейки могут подсказать, как не допустить гораздо более серьёзной аварии.