超聲技術出手，給電池做無損“體檢”-世界滾動

2023-06-20 08:38:03來源：科技日報

科技日報記者吳純新?通訊員高翔

【資料圖】

當前，新能源汽車、新能源和信息技術等領域蓬勃發展，以鋰離子電池為代表的二次電池發揮著核心作用。

近日，記者從華中科技大學（以下簡稱華科大）獲悉，該校黃云輝和沈越教授團隊自主研發了鋰離子電池超聲掃描成像設備，并在第十五屆深圳國際電池技術交流展覽會上正式發布了最新產品。該產品從基本原理到軟、硬件集成均由華科大團隊自主開發，在動力與儲能電池產業界和學術界獲得廣泛應用。

直觀快速監測電池狀態

電池作為一個極其復雜的封閉式系統，如何實時、無損、原位地獲取其內部信息是電池產業發展的痛點所在。

“電池使用過程中，電化學性能會逐漸衰減，電極材料結構和電解液分布在不斷演變，并伴隨副反應而出現產氣、析鋰等現象，影響電池壽命和安全。”黃云輝說，迫切需要對電池的內部狀態特別是健康狀態進行識別檢測和實時評判。

此前，無論學術界還是產業界通常以拆解方法破壞性地獲取電池內部信息，因電池內部多種組分對空氣高度敏感，拆解過程中狀態信息發生變化，所以該方法無法精準分析電池失效機制。

其他如X射線、中子衍射等無損表征方法，其靈敏性、快速性和便捷性又難以滿足實時快速檢測需求。

電池行業對開發新型表征技術來滿足電池實時檢測和健康監測的需求日益強烈，亟待從電池本質出發，通過準確獲取電池內部信息，賦能電池研發、生產、應用、回收等全生命周期各環節，實現電池綜合性能優化和提升。

為解決電池安全難題，自2015年起，華科大黃云輝團隊便創新性地提出將超聲技術用于電池健康監測，2016年申請并授權了核心發明專利“一種監測鋰離子電池荷電狀態和健康狀態的方法及其裝置”。2017年，團隊在華科大無錫研究院進行電池超聲成像設備開發。

經過多年持續研發，技術和設備不斷成熟并實現規模應用。2020年，該團隊開發的超聲成像設備應用于電池健康狀態監測分析的研究成果在學術期刊《焦耳》上發表，成果獲取到了電解液浸潤狀態、微量產氣等信息，可用于準確分析電池失效機制。

據介紹，該團隊目前已開發了電池超聲檢測系列產品，利用高頻超聲透射方法，使發射端探頭發射聚焦聲束穿透電池，再利用接收端探頭接收。團隊通過對接收信號的處理分析評估電池內部狀態，成像精度可達亞毫米級。

“電池超聲檢測成像技術與醫院做B超相似，我們在給電池做‘體檢’，通過成像可直觀快速地監測電池健康狀態，查找電池內部缺陷，保證電池安全。”黃云輝說。

獨特視角獲知電池失效進程

黃云輝介紹，采用團隊研發技術獲取的超聲檢測結果，從獨特視角揭示了電池內部狀態演變規律。

超聲波對氣—液、氣—固界面的識別十分有效，如電池內部存在氣泡，超聲波會發生大幅度衰減。電池發熱與正極材料劣化等多種電池失效問題都會伴隨氣體產物生成，這一技術可通過對氣體產物的識別獲知電池失效進程。

此外，電池材料變化也會影響超聲波的傳播行為，該技術可通過電池不同區域超聲傳播行為的差異判斷電池材料的結構演變。

隨著對電池超聲技術的不斷研發和積累，黃云輝團隊找到了解決電池瓶頸問題的新視角。

團隊首次提出并利用超聲技術觀測到電池“退浸潤”現象。電池在設計階段，其電解液用量是基于電池材料孔隙率所制定，而電池在循環過程中，因膨脹等問題，原有材料孔隙變大，電解液設計用量不足以填充孔隙，電解液無法充分浸潤電極材料，這種“退浸潤”現象會導致電池性能衰減，甚至引發更為嚴重的失效反應。

“以往研究很難獲知電池真實的浸潤狀態，而這一技術可以無損、實時、原位地觀測浸潤狀態演變，對研究電池失效機制有著重要意義，對電池廠商來說同樣非常有效。”特斯拉電池項目首席科學家、加拿大達爾豪斯大學教授杰夫·達恩說。

同時，電池超聲檢測技術也可用于電池循環過程中電解液干涸、材料劣化等一些電池失效機制研究。

目前，這項技術成果的轉化產品已被比亞迪、特斯拉等50余家電池和新能源汽車企業以及部分高等院校應用。該技術正逐漸成為檢測電池內部健康狀態的通用設備，已是保障動力與儲能電池安全的關鍵技術，為新能源汽車和儲能產業發展保駕護航。

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