超声波“透视眼” 电池的新无损“体检”手段

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锂离子电池因其单体电压高、无记忆效应、自放电小等优点而广泛应用于各个领域。近年来，新能源汽车需求爆发、国家环保政策等多重利好带动下，锂电池行业快速发展。科学家们致力于研究具有能量密度高、循环寿命长以及能拓展电池工作电压窗口的材料，从而不断对锂电池进行“升级”。

据统计，2022年全球锂电池行业出货量达到957.7GWh，同比增长70.3%，离TWh仅一步之遥。出货结构方面，2022年全球汽车动力电池出货量为684.2GWh，同比增长84.4%；储能电池出货量159.3GWh，同比增长140.3%；小型电池出货量114.2GWh，同比下滑8.8%。

我国是锂电池主要生产国和出口国。2022中国锂电池出货量达到750GWh，同比增长超过130%，其中储能型锂电产量突破100GWh；产量方面，2022年中国锂电池产量为239.3亿只，同比增长2.88%；出口方面，2022年我国锂离子电池出口数量为37.73亿只，同比增长10.06%，出口金额达到509.19亿美元，出口金额同比增长79.12%。

电池作为一个极其复杂的封闭式系统，如何实时、无损、原位地获取其内部信息是电池产业发展的痛点所在。电池使用过程中，电化学性能会逐渐衰减，电极材料结构和电解液分布在不断演变，并伴随副反应而出现产气、析锂等现象，影响电池寿命和安全。

在此之前，无论学术界还是产业界通常以拆解方法破坏性地获取电池内部信息，因电池内部多种组分对空气高度敏感，拆解过程中状态信息发生变化，所以该方法无法精准分析电池失效机制。例如X射线、中子衍射等无损表征方法，其灵敏性、快速性和便捷性又难以满足实时快速检测需求。电池行业对开发新型表征技术来满足电池实时检测和健康监测的需求日益强烈。　　超声检测作为新兴的无损检测手段，具有效率高、成本小、无污染且定位精准的特点。近日，华中科技大学黄云辉和沈越教授团队自主研发了锂离子电池超声扫描成像设备，该产品从基本原理到软、硬件集成均由华科大团队自主开发，在动力与储能电池产业界和学术界获得广泛应用。

超声波对气--液、气--固界面的识别十分有效，如电池内部存在气泡，超声波会发生大幅度衰减。电池发热与正极材料劣化等多种电池失效问题都会伴随气体产物生成，这一技术可通过对气体产物的识别获知电池失效进程。此外，电池材料变化也会影响超声波的传播行为，该技术可通过电池不同区域超声传播行为的差异判断电池材料的结构演变。

黄云辉团队首次提出并利用超声技术观测到电池“退浸润”现象。电池在设计阶段，其电解液用量是基于电池材料孔隙率所制定，而电池在循环过程中，因膨胀等问题，原有材料孔隙变大，电解液设计用量不足以填充孔隙，电解液无法充分浸润电极材料，这种“退浸润”现象会导致电池性能衰减，甚至引发更为严重的失效反应。

该研究团队的锂离子电池超声扫描成像设备利用高频超声透射方法，使发射端探头发射聚焦声束穿透电池，再利用接收端探头接收。团队通过对接收信号的处理分析评估电池内部状态，成像精度可达亚毫米级。经研究证实，该项设备不仅可以无损、实时、原位地观测浸润状态演变，同时也可用于电池循环过程中电解液干涸、材料劣化等一些电池失效机制研究。

通过超声这种新型手段对电池进行检测、全局定位和定量有着十分可观的前景，包括针对商业化电池的“跳水”预警、寿命预测，以及对动力电池组的实时监测等，都有可能对未来的电池管理系统带来革命性的突破。目前，该项技术成果的转化产品已经被50余家电池和新能源汽车企业以及部分高等院校应用。该技术正逐渐成为检测电池内部健康状态的通用设备，已是保障动力与储能电池安全的关键技术，为新能源汽车和储能产业发展保驾护航。　　(资料参考来源：科技日报、经济参考报等)

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