全球首創電池內部透視技術 預防爆炸事故於未然

JStories ー 從智慧型手機到電動車,鋰電池大幅提升生活便利性,但突然起火爆炸的事故也讓它成為潛在威脅。日本開發出全球首創技術,可在不破壞電池的情況下檢查內部狀態,防止事故發生,未來也有望應用在醫療領域。

總部位於兵庫縣神戶市的Integral Geometry Science（インテグラル・ジオメトリ・サイエンス,代表董事:木村建次郎）開發出這項技術。

該公司的「蓄電池非破壞影像診斷系統」不需破壞或拆解電池,就能測量內部電流密度分布,可在出貨前排除有起火或爆炸風險的不良品。簡單說,就是能檢查電池「健康狀態」的技術。

木村原本在京都大學工學部研究能讓半導體內部電流可視化的顯微鏡。後來轉到神戶大學研究所任教,村田製作所委託他研究「能否檢查電容器內部的漏電問題」,開啟了這項技術的研發。

「半導體是整齊的結晶結構,電流流動一目了然。但電池是非晶體的不規則結構,電流路徑難以掌握,因此需要能透視內部的技術。」木村說明。

但電池外殼是金屬、內部有電解液,無法用光線、X光或MRI觀察內部。木村注意到「電流通過會產生磁場」的物理現象,想到「雖然看不到電流,但測量周圍磁力線就能反推電流路徑」。

木村開發出一套方法,用超高靈敏度感測器測量磁場分布,再用數學公式反推電流流動(磁場分布逆向問題分析),成功將電池內部電流集中位置製成視覺化影像。

鋰離子電池無論製程多精密,受限於材料和結構特性,很難完全消除瑕疵,難免有小機率混入「容易短路的電池」。木村表示:「比起完美製造零缺陷電池,更重要的是確實找出並剔除偶然產生的危險電池。」

傳統檢測方式主要是「老化試驗」,將電池放置數天觀察電壓下降情形。但這方法無法分辨電流是大範圍緩慢漏電,還是集中在單一點。如果是後者,受到撞擊就容易短路起火。

新系統不需切開或破壞電池,就能從磁場數據即時呈現內部狀態。因此能在出貨前找出傳統方法檢測不出來的問題電池。也就是說,實現了非破壞性的全數檢測。

長期以來,「電流與磁場逆向問題」在理論上被認為無解。木村花了約10年,一邊建立數學模型,一邊自行開發超高靈敏度感測器,同時在「理論」與「實驗設備」兩個領域下功夫。

支撐這漫長研發路的,是包括京都大學基金在內、官民合計約100億日圓的投資。「接受稅金支持研究,代表日本國民認同這項研究的價值。我帶著這份責任,一步步實現目標。」木村說。

導入這套設備後,生產線上所有電池都能安全檢測。如果能防止電池爆炸,企業可避免數千億日圓的召回損失,整個社會也更安心。「安全電池普及後,就能製造更高功率的電池,飛天汽車、超長續航手機都能更快實現。」木村說。

木村的技術不只用在電池。這項全球首創的磁場解析計算理論,也能應用在乳癌檢查。傳統乳房X光攝影有個問題,特別是乳腺發達者,影像會呈現白色,癌症陰影難以辨識。IGS開發的微波乳房攝影能清楚呈現這類患者的乳房內部,大幅提升癌症早期發現率和檢查精準度。

這套設備最大特色是「檢查」和「手術」姿勢相同。傳統乳房X光攝影是站著夾住胸部拍攝,但手術是仰躺進行,因此很難準確掌握癌症實際位置。新設備讓患者仰躺檢查,取得的影像可直接用於手術。

影像上的標記和癌症位置一致,外科醫師高度評價:「看到哪裡就切哪裡,不會遺漏,非常精準。」

這項技術還能協助心肌梗塞、腦中風等疾病的早期診斷。由於檢查過程無輻射曝露,對孕婦和年輕族群也相對安全,醫療界寄予厚望。

此外,這項技術應用範圍廣泛,包括在霧雨中也能精準辨識前方的自動駕駛技術,以及偵測埋在地下的地雷、手槍等防犯系統。木村充滿幹勁地說:「從看似抽象的數學世界,誕生出能讓社會更安全舒適的技術,能扮演這樣的橋梁角色讓我很有成就感。」

2024年參展「BATTERY JAPAN二次電池展」時,約400家國內外廠商造訪攤位,超過半數詢問來自中國和韓國電池製造商。公司目標是用這套檢測技術檢查全球流通電池的10%。醫療方面也正推動建構全球1億人規模的乳癌篩檢網絡。目前市值約400億日圓,目標在2025至2027年間擴大到1000億日圓,進而達到1兆日圓規模,創造穩定營業利益。

「電池和醫療都是守護生命的技術。希望透過讓看不見的東西現形,讓社會更安全。」木村充滿期待地說。這套全球首創「蓄電池非破壞影像診斷系統」不只能防止電池爆炸,也將改變醫療、防犯、交通運輸的未來。

採訪撰文：石井廣子　

編集：北松克朗

首圖：Envato 提供

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