超声技术出手，给电池做无损“体检”

◎本报记者 吴纯新 通 讯 员 高 翔

当前，新能源汽车、新能源和信息技术等领域蓬勃发展，以锂离子电池为代表的二次电池发挥着核心作用。

近日，记者从华中科技大学（以下简称华科大）获悉，该校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，并在第十五届深圳国际电池技术交流展览会上正式发布了最新产品。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。

直观快速监测电池状态

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。”黄云辉说，迫切需要对电池的内部状态特别是健康状态进行识别检测和实时评判。

此前，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。

其他如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，亟待从电池本质出发，通过准确获取电池内部信息，赋能电池研发、生产、应用、回收等全生命周期各环节，实现电池综合性能优化和提升。

为解决电池安全难题，自2015年起，华科大黄云辉团队便创新性地提出将超声技术用于电池健康监测，2016年申请并授权了核心发明专利“一种监测锂离子电池荷电状态和健康状态的方法及其装置”。2017年，团队在华科大无锡研究院进行电池超声成像设备开发。

经过多年持续研发，技术和设备不断成熟并实现规模应用。2020年，该团队开发的超声成像设备应用于电池健康状态监测分析的研究成果在学术期刊《焦耳》上发表，成果获取到了电解液浸润状态、微量产气等信息，可用于准确分析电池失效机制。

据介绍，该团队目前已开发了电池超声检测系列产品，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。

“电池超声检测成像技术与医院做B超相似，我们在给电池做‘体检’，通过成像可直观快速地监测电池健康状态，查找电池内部缺陷，保证电池安全。”黄云辉说。

独特视角获知电池失效进程

黄云辉介绍，采用团队研发技术获取的超声检测结果，从独特视角揭示了电池内部状态演变规律。

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。

随着对电池超声技术的不断研发和积累，黄云辉团队找到了解决电池瓶颈问题的新视角。

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。

“以往研究很难获知电池真实的浸润状态，而这一技术可以无损、实时、原位地观测浸润状态演变，对研究电池失效机制有着重要意义，对电池厂商来说同样非常有效。”特斯拉电池项目首席科学家、加拿大达尔豪斯大学教授杰夫·达恩说。

同时，电池超声检测技术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。

目前，这项技术成果的转化产品已被比亚迪、特斯拉等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。