Перед тем как аккумуляторы теряют емкость, внезапно выходят из строя или даже загораются, они издают слабые акустические сигналы. Эти звуки отражают процессы разрушения внутри батареи, но до сих пор их было сложно расшифровать и отличить от фонового шума.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) впервые подробно проанализировали акустические эмиссии литий-ионных батарей и сумели связать конкретные звуковые паттерны с определенными процессами деградации элементов.
Авторами работы стали аспиранты MIT Яш Самантарай и Александр Коэн, бывший научный сотрудник Дэниел Когсвелл и профессор химической инженерии и математики Мартин Базант.
Как работает метод
Для анализа ученые одновременно проводили электрохимические испытания и записывали звуковые колебания, возникающие во время зарядки и разрядки батарей. Затем данные проходили сложную обработку с помощью вейвлет-преобразования, что позволяло выделять сигналы даже на фоне шума.
Оказалось, что часть звуков связана с образованием газовых пузырьков из-за побочных реакций, а другая — с микротрещинами при расширении и сжатии активных материалов. Это два ключевых механизма разрушения аккумуляторов.
Прежние методы лишь фиксировали превышение общего уровня шума, не связывая его с конкретными процессами. Новый подход позволяет точно определять, какой именно процесс протекает внутри ячейки в тот или иной момент.
Зачем это нужно
Технология открывает возможность создания недорогих и полностью пассивных систем мониторинга состояния батарей. Это может применяться:
- в электромобилях для прогнозирования ресурса и предупреждения поломок,
- на промышленных объектах для контроля крупных систем хранения энергии,
- в лабораториях при разработке новых материалов,
- на производстве для проверки качества аккумуляторов еще на этапе формирования.
Кроме того, в отдельной работе с участием Oak Ridge National Laboratory было показано, что акустические сигналы способны предупреждать о тепловом разгоране батарей — процессе, который может привести к пожару.
Перспективы применения
MIT уже сотрудничает с Tata Motors над созданием практической системы мониторинга для электромобилей. По словам ученых, разработка позволит заранее выявлять потенциально опасные процессы — от образования газа до разрушения активных материалов.
Также метод может облегчить контроль качества на заводах. Улавливая характерные звуковые сигналы еще на стадии производства, можно отделять надежные элементы от дефектных до того, как батарея поступит в эксплуатацию.
Результаты исследования опубликованы в журнале Joule.
