超聲波“透視眼” 電池的新無損“體檢”手段
【化工儀器網 項目成果】鋰離子電池因其單體電壓高、無記憶效應、自放電小等優點而廣泛應用于各個領域。近年來，新能源汽車需求爆發、國家環保政策等多重利好帶動下，鋰電池行業快速發展?？茖W家們致力于研究具有能量密度高、循環壽命長以及能拓展電池工作電壓窗口的材料，從而不斷對鋰電池進行“升級”。
據統計，2022年全球鋰電池行業出貨量達到957.7GWh，同比增長70.3%，離TWh僅一步之遙。出貨結構方面，2022年全球汽車動力電池出貨量為684.2GWh，同比增長84.4%；儲能電池出貨量159.3GWh，同比增長140.3%；小型電池出貨量114.2GWh，同比下滑8.8%。
我國是鋰電池主要生產國和出口國。2022中國鋰電池出貨量達到750GWh，同比增長超過130%，其中儲能型鋰電產量突破100GWh；產量方面，2022年中國鋰電池產量為239.3億只，同比增長2.88%；出口方面，2022年我國鋰離子電池出口數量為37.73億只，同比增長10.06%，出口金額達到509.19億美元，出口金額同比增長79.12%。
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。
在此之前，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。例如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。
超聲檢測作為新興的無損檢測手段，具有效率高、成本小、無污染且定位精準的特點。近日，華中科技大學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，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。
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。
黃云輝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。
該研究團隊的鋰離子電池超聲掃描成像設備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。經研究證實，該項設備不僅可以無損、實時、原位地觀測浸潤狀態演變，同時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。
通過超聲這種新型手段對電池進行檢測、全局定位和定量有著十分可觀的前景，包括針對商業化電池的“跳水”預警、壽命預測，以及對動力電池組的實時監測等，都有可能對未來的電池管理系統帶來革命性的突破。目前，該項技術成果的轉化產品已經被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。
(資料參考來源：科技日報、經濟參考報等)
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