Литий-ионные аккумуляторы могут мгновенно превратиться из обычного источника питания в опасный химический реактор с экстремальной температурой. Специалисты обычно могут наблюдать только результаты такого сбоя: повышение температуры, скачок давления, дым, огонь и разломанный корпус. Учёные из немецкого Института динамики быстропротекающих процессов имени Эрнста Маха Fraunhofer EMI создали специальную рентгеновскую аппаратуру, которая позволяет отслеживать катастрофические процессы внутри аккумуляторной ячейки с частотой до тысячи кадров в секунду.

Система разработана в первую очередь для крупных прямоугольных аккумуляторных элементов, применяемых в электрических автомобилях. В ходе тестирования специалисты преднамеренно создают опасные ситуации: прокалывают батарею металлическим стержнем, провоцируя внутренний электрический пробой. Рентгеновская техника в режиме реального времени регистрирует процесс образования газов, смещение внутренних электродов, распространение повреждений и начало теплового ускорения.

Тепловое ускорение — это цепная реакция с выделением тепла, когда нагревание батареи инициирует новые химические процессы, а выделяемое ими тепло дополнительно повышает температуру. Давление внутри стремительно возрастает, электролит и прочие составляющие разлагаются, образуются воспламеняющиеся газовые смеси. В критических ситуациях ячейка лопается или выбрасывает горячие частицы, способные нагреть соседние батареи и вызвать цепную реакцию во всём батарейном комплексе. Изучение развития такой аварии в первые миллисекунды долгое время оставалось одной из наиболее сложных проблем в области исследования безопасности аккумуляторов.

Идея снимать горящие батареи на рентгеновской аппаратуре существует уже давно. Научные организации проводят такие исследования на мощных синхротронных установках, включая французский Европейский центр синхротронного излучения ESRF. Такие системы обеспечивают исключительно высокое качество изображения, но требуют огромных затрат на научное оборудование, а область съёмки ограничивает размер объекта. Fraunhofer EMI адаптировал эту технологию для использования в обычной лаборатории, создав установку, способную полностью охватить большой автомобильный аккумуляторный элемент. Комбинация максимальной скорости съёмки, широкого поля зрения и независимости от синхротрона делает эту разработку привлекательной для автомобильной индустрии.

Рентгеновский датчик записывает до тысячи снимков за секунду с разрешением 1024 на 1024 пикселя. Действительный размер пикселя составляет примерно 188 микрометров, расстояние между рентгеновским источником и сенсором равно 777 миллиметрам. Учёные специально выбрали эти параметры, чтобы весь образец помещался в кадр. В экспериментах применялась литий-ионная ячейка с катодом из никеля, марганца и кобальта (NMC).

Важно не путать эту технологию с традиционной компьютерной томографией батарей. Томография создаёт детальную трёхмерную карту внутренней архитектуры и хороша для выявления производственных огрехов, но нужно много проекций. Fraunhofer EMI использует скоростную рентгенографию для получения серии двумерных кадров через миллисекундные промежутки. Детализация ниже, но инженеры могут отслеживать молниеносное разрушение целой автомобильной батареи практически в реальном времени.

Особенно ценной оказалась возможность зафиксировать не только начало пробоя. В опубликованных опытах команда отследила последовательность событий от зарождения замыкания до возникновения газа, срабатывания встроенных предохранительных систем, блокировки отверстия для выпуска газа и выталкивания терминала ячейки. Анализ рентгеновских изображений даёт возможность измерить скорость движения материалов и траекторию распространения газовых потоков, а затем сравнить эти данные с показаниями обычных контрольных приборов.

Аккумулятор помещается в защитный корпус. Одновременно с рентгеновской регистрацией оборудование измеряет тепло, давление, электрическое напряжение и объём выходящих газов. Все системы координируются по временной шкале, поэтому исследователь может определить, какое внутреннее событие предшествовало скачку температуры или давления. Корпус должен устойчиво переносить огонь, горячие выбросы и летящие куски материала, сохраняя при этом дорогостоящую рентгеновскую аппаратуру.

Такой метод может выявить уязвимые места, которые невозможно обнаружить, анализируя только температурные данные или внешний вид повреждённой батареи. Например, предохранительный клапан может открыться, но внутренние компоненты закроют путь газам. Давление продолжит расти, что приведёт к разрыву оболочки в неожиданном месте. Ранние рентгеновские исследования уже обнаружили случаи закупорки газоотводящих отверстий, разрыва боковых панелей и распространения теплового ускорения между примыкающими ячейками.

Для производителей автомобилей такие сведения исключительно полезны при создании батарейного комплекса. Конструкторы могут изменять положение клапанов, конструкцию батареи, теплозащиту и промежутки между компонентами, а затем не только фиксировать финальный итог, но и саму картину разрушения. Эти данные также применяются для корректировки компьютерных расчётов теплового ускорения, используемых при разработке и утверждении систем аккумуляторов.

Fraunhofer EMI уже применял эту методику в проектах для ряда немецких автопроизводителей, в том числе Volkswagen и Audi. Специалисты исследовали, как выбрасываются материалы из разрушающихся ячеек и как распространяется тепловое ускорение в системах с несколькими батареями.

Следующая стадия разработки пройдёт совместно с PowerCo, подразделением Volkswagen Group, занимающимся производством батарей. Компания предоставит производственные образцы ячеек и технические условия промышленного производства, а Fraunhofer EMI будет проводить рентгеновскую диагностику и тестирование в критических ситуациях. Начальные результаты этого сотрудничества уже применяют при создании новых батарейных ячеек PowerCo.

К 2028 году на предприятии PowerCo в городе Зальцгиттере (Германия) планируется установить подобную рентгеновскую систему. Аппаратура спроектирована модульно, поэтому может быть переоснащена для работы с батареями различных габаритов и новых составов материалов. Это скорее специализированный инструмент для научных исследований и тестирования, а не аппарат для проверки каждой батареи на производственной линии.

Важность этой разработки видна при рассмотрении истории подобных исследований. Ещё в 2015 году учёные применили скоростную синхротронную томографию для наблюдения разрушения цилиндрических батарей типа 18650. Позже исследователи научились отслеживать смещение электродов, разломы оболочки и передачу теплового ускорения соседним элементам. Теперь Fraunhofer EMI стремится адаптировать метод, ранее привязанный к крупным установкам, в практический лабораторный инструмент для автопрома.

Основное значение новой аппаратуры состоит не в впечатляющем видео горящей батареи. Инженеры получают возможность увидеть мгновение, когда безопасная на первый взгляд батарея начинает ломаться внутри, проследить последующие события с миллисекундной точностью и выяснить, какая конструктивная особенность превратила незначительный дефект в серьёзный пожар. Для электромобилей с сотнями или миллионами аккумуляторных ячеек несколько миллисекунд внутреннего развития события в одной батарее могут помочь предотвратить намного более серьёзную аварию.