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超聲波“透視眼” 電池的新無損“體檢”手段
2023年06月25日 14:10:37
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點擊量：5300
近日，華中科技大學黃云輝和沈越教授團隊自主研發(fā)了鋰離子電池超聲掃描成像設備，該產(chǎn)品從基本原理到軟、硬件集成均由華科大團隊自主開發(fā)，在動力與儲能電池產(chǎn)業(yè)界和學術界獲得廣泛應用。
【化工儀器網(wǎng) 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(yōu)點而廣泛應用于各個領域。近年來，新能源汽車需求爆發(fā)、國家環(huán)保政策等多重利好帶動下，鋰電池行業(yè)快速發(fā)展?？茖W家們致力于研究具有能量密度高、循環(huán)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(jù)統(tǒng)計，2022年全球鋰電池行業(yè)出貨量達到957.7GWh，同比增長70.3%，離TWh僅一步之遙。出貨結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)量突破100GWh；產(chǎn)量方面，2022年中國鋰電池產(chǎn)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(shù)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(tǒng)，如何實時、無損、原位地獲取其內(nèi)部信息是電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的痛點所在。電池使用過程中，電化學性能會逐漸衰減，電極材料結(jié)構(gòu)和電解液分布在不斷演變，并伴隨副反應而出現(xiàn)產(chǎn)氣、析鋰等現(xiàn)象，影響電池壽命和安全。
在此之前，無論學術界還是產(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)部多種組分對空氣高度敏感，拆解過程中狀態(tài)信息發(fā)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(yè)對開發(fā)新型表征技術來滿足電池實時檢測和健康監(jiān)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(fā)了鋰離子電池超聲掃描成像設備，該產(chǎn)品從基本原理到軟、硬件集成均由華科大團隊自主開發(fā)，在動力與儲能電池產(chǎn)業(yè)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(nèi)部存在氣泡，超聲波會發(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題都會伴隨氣體產(chǎn)物生成，這一技術可通過對氣體產(chǎn)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(qū)域超聲傳播行為的差異判斷電池材料的結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(huán)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(xiàn)象會導致電池性能衰減，甚至引發(fā)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(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。團隊通過對接收信號的處理分析評估電池內(nèi)部狀態(tài)，成像精度可達亞毫米級。經(jīng)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(tài)演變，同時也可用于電池循環(huán)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(yè)化電池的“跳水”預警、壽命預測，以及對動力電池組的實時監(jiān)測等，都有可能對未來的電池管理系統(tǒng)帶來革命性的突破。目前，該項技術成果的轉(zhuǎn)化產(chǎn)品已經(jīng)被50余家電池和新能源汽車企業(yè)以及部分高等院校應用。該技術正逐漸成為檢測電池內(nèi)部健康狀態(tài)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(chǎn)業(yè)發(fā)展保駕護航。
(資料參考來源：科技日報、經(jīng)濟參考報等)
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