El KAIST desarrolla una tecnología de inspección ultraprecisa para prevenir los incendios en las baterías de los vehículos eléctricos
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Se ha desarrollado una tecnología de inspección ultraprecisa que podría ayudar a prevenir los incendios de las baterías de los vehículos eléctricos y mejorar la seguridad de las mismas. Un equipo de investigación del KAIST ha desarrollado un método capaz de detectar variaciones mínimas en el grosor de los electrodos de las baterías que pueden contribuir a un sobrecalentamiento incontrolado, con una precisión equivalente a aproximadamente una diezmilésima parte del diámetro de un cabello humano, todo ello sin desmontar ni dañar la batería. Se espera que esta tecnología mejore la seguridad y la calidad de las baterías al identificar defectos invisibles durante el proceso de fabricación.
Figura 1. Medición del espesor de los electrodos de una batería de iones de litio mediante interferometría Fabry-Pérot en el rango de los terahercios, con referencia a un peine de frecuencias ópticas
KAIST
El KAIST (presidido por Choongsik Bae) anunció el 23 de julio que un equipo de investigación dirigido por el profesor Young-Jin Kim, del Departamento de Ingeniería Mecánica, ha desarrollado una tecnología que mide el grosor de los electrodos de las baterías de iones de litio de forma no invasiva y no destructiva.
La tecnología combina ondas de terahercios (ondas electromagnéticas en la región espectral entre la luz y las ondas de radio) para obtener información del interior de los electrodos de las baterías con un peine de frecuencias óptico, que divide la frecuencia de la luz en intervalos espaciados uniformemente, como las marcas de una regla, y sirve de referencia para mediciones ultraprecisas.
Los electrodos de las baterías de iones de litio, ampliamente utilizadas en los vehículos eléctricos, son componentes esenciales por los que fluye la corriente eléctrica. Incluso una ligera variación en el grosor de los electrodos puede provocar que la corriente se concentre en determinadas zonas durante la carga y la descarga, generando calor. Si el calor sigue acumulándose, puede dar lugar a un «descontrol térmico», un fenómeno en el que la temperatura interna de una batería aumenta rápidamente y puede provocar un incendio o una explosión. Por lo tanto, mantener un grosor uniforme de los electrodos es de vital importancia durante la fabricación de baterías.
Sin embargo, las tecnologías de inspección existentes presentan limitaciones cuando se aplican a entornos de producción. La tomografía computarizada por rayos X puede proporcionar imágenes detalladas de las estructuras internas, pero su tiempo de inspección relativamente largo dificulta su uso en líneas de producción de alta velocidad. La microscopía acústica ultrasónica requiere contacto directo con un medio líquido, mientras que los sensores de desplazamiento por láser pueden realizar mediciones rápidas, pero tienen dificultades para analizar con precisión las estructuras del interior de un electrodo.
El equipo de investigación superó estas limitaciones combinando las tecnologías de peine de frecuencias ópticas y de terahercios. En primer lugar, los investigadores dirigieron ondas de terahercios hacia un electrodo de batería y recogieron las señales generadas al reflejarse repetidamente las ondas dentro del electrodo. A continuación, utilizaron un peine de frecuencias óptico como referencia para analizar las señales con una precisión excepcionalmente alta y calcular el espesor del electrodo. Esto permitió realizar mediciones a escala nanométrica de la estructura interna del electrodo sin dañar la batería.
La base de esta tecnología es la interferencia de Fabry-Pérot, un patrón de interferencia espaciado regularmente que se produce cuando las ondas de terahercios viajan repetidamente de un lado a otro entre las superficies delantera y trasera de un electrodo. De forma muy similar a cómo se mide la longitud leyendo las marcas de una regla, los investigadores analizaron con precisión el patrón de interferencia utilizando el peine de frecuencias ópticas como referencia para determinar el espesor del electrodo.
Como resultado, el equipo logró medir tanto el espesor del electrodo como su índice de refracción complejo (una propiedad óptica de un material que indica la intensidad con la que transmite y absorbe las ondas electromagnéticas) en una única medición, sin necesidad de un proceso de calibración independiente.
Los investigadores validaron la tecnología utilizando electrodos de batería con un espesor de entre 50 y 150 micrómetros, comparable al diámetro de un cabello humano. Con un tiempo de medición de tan solo 0,2 segundos, el sistema detectó diferencias de espesor de tan solo 70,1 nanómetros en el ánodo (aproximadamente una catorcecentésima parte del diámetro de un cabello humano) y de 465,5 nanómetros en el cátodo. Esta velocidad de medición se considera suficiente para su uso en líneas de producción de baterías que se mueven rápidamente.
Cuando el tiempo de medición se aumentó a 25,6 segundos, la precisión mejoró aún más. El sistema distinguió diferencias de tan solo 7,8 nanómetros en el ánodo (aproximadamente una diezmilésima parte del diámetro de un cabello humano) y de 25,2 nanómetros en el cátodo. Esto supone una mejora de hasta 100 veces en la precisión en comparación con los métodos convencionales de análisis en el dominio del tiempo, lo que permite detectar variaciones de espesor que son completamente invisibles a simple vista.
La tecnología no se limita a medir el espesor en un único punto. Es capaz de generar un mapa tridimensional del espesor en todo el electrodo y de realizar un seguimiento en tiempo real de las variaciones graduales de espesor durante la producción. Los investigadores también confirmaron que el sistema podía medir con precisión un electrodo inclinado en un ángulo de aproximadamente 45 grados, lo que demuestra su potencial de aplicación en líneas de fabricación de baterías del mundo real, donde el proceso se desarrolla a gran velocidad.
El estudio es relevante porque presenta una nueva tecnología de inspección capaz de identificar defectos microscópicos invisibles durante la producción sin desmontar ni dañar las baterías. Además de en las baterías de iones de litio, se espera que esta tecnología sirva como herramienta clave de control de calidad para la fabricación de baterías de estado sólido de próxima generación, que utilizan electrolitos sólidos en lugar de líquidos. Al detectar defectos en una fase temprana, la tecnología podría mejorar la seguridad y la calidad de las baterías, al tiempo que permite procesos de fabricación más estables.
«Esta tecnología es una plataforma de metrología integrada que puede medir simultáneamente el grosor de los electrodos y las propiedades de los materiales sin necesidad de un proceso de calibración independiente», explicó el profesor Kim. «Esperamos que se convierta en una tecnología clave para el control de calidad en tiempo real de las líneas de producción de baterías de iones de litio de próxima generación y de baterías totalmente de estado sólido».
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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