超聲技術(shù)出手，給電池做無(wú)損“體檢”-世界滾動(dòng)

2023-06-20 08:38:03來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

科技日?qǐng)?bào)記者吳純新?通訊員高翔

【資料圖】

當(dāng)前，新能源汽車(chē)、新能源和信息技術(shù)等領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，以鋰離子電池為代表的二次電池發(fā)揮著核心作用。

近日，記者從華中科技大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)華科大）獲悉，該校黃云輝和沈越教授團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了鋰離子電池超聲掃描成像設(shè)備，并在第十五屆深圳國(guó)際電池技術(shù)交流展覽會(huì)上正式發(fā)布了最新產(chǎn)品。該產(chǎn)品從基本原理到軟、硬件集成均由華科大團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)，在動(dòng)力與儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界獲得廣泛應(yīng)用。

直觀快速監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)

電池作為一個(gè)極其復(fù)雜的封閉式系統(tǒng)，如何實(shí)時(shí)、無(wú)損、原位地獲取其內(nèi)部信息是電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的痛點(diǎn)所在。

“電池使用過(guò)程中，電化學(xué)性能會(huì)逐漸衰減，電極材料結(jié)構(gòu)和電解液分布在不斷演變，并伴隨副反應(yīng)而出現(xiàn)產(chǎn)氣、析鋰等現(xiàn)象，影響電池壽命和安全。”黃云輝說(shuō)，迫切需要對(duì)電池的內(nèi)部狀態(tài)特別是健康狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)和實(shí)時(shí)評(píng)判。

此前，無(wú)論學(xué)術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界通常以拆解方法破壞性地獲取電池內(nèi)部信息，因電池內(nèi)部多種組分對(duì)空氣高度敏感，拆解過(guò)程中狀態(tài)信息發(fā)生變化，所以該方法無(wú)法精準(zhǔn)分析電池失效機(jī)制。

其他如X射線、中子衍射等無(wú)損表征方法，其靈敏性、快速性和便捷性又難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)快速檢測(cè)需求。

電池行業(yè)對(duì)開(kāi)發(fā)新型表征技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足電池實(shí)時(shí)檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)的需求日益強(qiáng)烈，亟待從電池本質(zhì)出發(fā)，通過(guò)準(zhǔn)確獲取電池內(nèi)部信息，賦能電池研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用、回收等全生命周期各環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電池綜合性能優(yōu)化和提升。

為解決電池安全難題，自2015年起，華科大黃云輝團(tuán)隊(duì)便創(chuàng)新性地提出將超聲技術(shù)用于電池健康監(jiān)測(cè)，2016年申請(qǐng)并授權(quán)了核心發(fā)明專(zhuān)利“一種監(jiān)測(cè)鋰離子電池荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)的方法及其裝置”。2017年，團(tuán)隊(duì)在華科大無(wú)錫研究院進(jìn)行電池超聲成像設(shè)備開(kāi)發(fā)。

經(jīng)過(guò)多年持續(xù)研發(fā)，技術(shù)和設(shè)備不斷成熟并實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。2020年，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的超聲成像設(shè)備應(yīng)用于電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析的研究成果在學(xué)術(shù)期刊《焦耳》上發(fā)表，成果獲取到了電解液浸潤(rùn)狀態(tài)、微量產(chǎn)氣等信息，可用于準(zhǔn)確分析電池失效機(jī)制。

據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)目前已開(kāi)發(fā)了電池超聲檢測(cè)系列產(chǎn)品，利用高頻超聲透射方法，使發(fā)射端探頭發(fā)射聚焦聲束穿透電池，再利用接收端探頭接收。團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的處理分析評(píng)估電池內(nèi)部狀態(tài)，成像精度可達(dá)亞毫米級(jí)。

“電池超聲檢測(cè)成像技術(shù)與醫(yī)院做B超相似，我們?cè)诮o電池做‘體檢’，通過(guò)成像可直觀快速地監(jiān)測(cè)電池健康狀態(tài)，查找電池內(nèi)部缺陷，保證電池安全。”黃云輝說(shuō)。

獨(dú)特視角獲知電池失效進(jìn)程

黃云輝介紹，采用團(tuán)隊(duì)研發(fā)技術(shù)獲取的超聲檢測(cè)結(jié)果，從獨(dú)特視角揭示了電池內(nèi)部狀態(tài)演變規(guī)律。

超聲波對(duì)氣—液、氣—固界面的識(shí)別十分有效，如電池內(nèi)部存在氣泡，超聲波會(huì)發(fā)生大幅度衰減。電池發(fā)熱與正極材料劣化等多種電池失效問(wèn)題都會(huì)伴隨氣體產(chǎn)物生成，這一技術(shù)可通過(guò)對(duì)氣體產(chǎn)物的識(shí)別獲知電池失效進(jìn)程。

此外，電池材料變化也會(huì)影響超聲波的傳播行為，該技術(shù)可通過(guò)電池不同區(qū)域超聲傳播行為的差異判斷電池材料的結(jié)構(gòu)演變。

隨著對(duì)電池超聲技術(shù)的不斷研發(fā)和積累，黃云輝團(tuán)隊(duì)找到了解決電池瓶頸問(wèn)題的新視角。

團(tuán)隊(duì)首次提出并利用超聲技術(shù)觀測(cè)到電池“退浸潤(rùn)”現(xiàn)象。電池在設(shè)計(jì)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(huán)過(guò)程中，因膨脹等問(wèn)題，原有材料孔隙變大，電解液設(shè)計(jì)用量不足以填充孔隙，電解液無(wú)法充分浸潤(rùn)電極材料，這種“退浸潤(rùn)”現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電池性能衰減，甚至引發(fā)更為嚴(yán)重的失效反應(yīng)。

“以往研究很難獲知電池真實(shí)的浸潤(rùn)狀態(tài)，而這一技術(shù)可以無(wú)損、實(shí)時(shí)、原位地觀測(cè)浸潤(rùn)狀態(tài)演變，對(duì)研究電池失效機(jī)制有著重要意義，對(duì)電池廠商來(lái)說(shuō)同樣非常有效。”特斯拉電池項(xiàng)目首席科學(xué)家、加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)教授杰夫·達(dá)恩說(shuō)。

同時(shí)，電池超聲檢測(cè)技術(shù)也可用于電池循環(huán)過(guò)程中電解液干涸、材料劣化等一些電池失效機(jī)制研究。

目前，這項(xiàng)技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化產(chǎn)品已被比亞迪、特斯拉等50余家電池和新能源汽車(chē)企業(yè)以及部分高等院校應(yīng)用。該技術(shù)正逐漸成為檢測(cè)電池內(nèi)部健康狀態(tài)的通用設(shè)備，已是保障動(dòng)力與儲(chǔ)能電池安全的關(guān)鍵技術(shù)，為新能源汽車(chē)和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展保駕護(hù)航。

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