當(dāng)前，新能源汽車、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)(以下簡稱華科大)獲悉，該校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(shè)備，并在第十五屆深圳國際電池技術(shù)交流展覽會上正式發(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隊自主開發(fā)，在動力與儲能電池產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界獲得廣泛應(yīng)用。
直觀快速監(jiān)測電池狀態(tài)
電池作為一個極其復(fù)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(xué)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(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，迫切需要對電池的內(nèi)部狀態(tài)特別是健康狀態(tài)進行識別檢測和實時評判。
此前，無論學(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(zhǔn)分析電池失效機制。
其他如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(shù)來滿足電池實時檢測和健康監(jiān)測的需求日益強烈，亟待從電池本質(zhì)出發(fā)，通過準(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，華科大黃云輝團隊便創(chuàng)新性地提出將超聲技術(shù)用于電池健康監(jiān)測，2016年申請并授權(quán)了核心發(fā)明專利“一種監(jiān)測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，團隊在華科大無錫研究院進行電池超聲成像設(shè)備開發(fā)。
經(jīng)過多年持續(xù)研發(fā)，技術(shù)和設(shè)備不斷成熟并實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。2020年，該團隊開發(fā)的超聲成像設(shè)備應(yīng)用于電池健康狀態(tài)監(jiān)測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狀態(tài)、微量產(chǎn)氣等信息，可用于準(zhǔn)確分析電池失效機制。
據(jù)介紹，該團隊目前已開發(fā)了電池超聲檢測系列產(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。
“電池超聲檢測成像技術(shù)與醫(yī)院做B超相似，我們在給電池做‘體檢’，通過成像可直觀快速地監(jiān)測電池健康狀態(tài)，查找電池內(nèi)部缺陷，保證電池安全。”黃云輝說。
獨特視角獲知電池失效進程
黃云輝介紹，采用團隊研發(fā)技術(shù)獲取的超聲檢測結(jié)果，從獨特視角揭示了電池內(nèi)部狀態(tài)演變規(guī)律。
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(shù)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(shù)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。
隨著對電池超聲技術(shù)的不斷研發(fā)和積累，黃云輝團隊找到了解決電池瓶頸問題的新視角。
團隊首次提出并利用超聲技術(shù)觀測到電池“退浸潤”現(xiàn)象。電池在設(shè)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(shè)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(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的浸潤狀態(tài)，而這一技術(shù)可以無損、實時、原位地觀測浸潤狀態(tài)演變，對研究電池失效機制有著重要意義，對電池廠商來說同樣非常有效。”特斯拉電池項目首席科學(xué)家、加拿大達爾豪斯大學(xué)教授杰夫·達恩說。
同時，電池超聲檢測技術(shù)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。
目前，這項技術(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)正逐漸成為檢測電池內(nèi)部健康狀態(tài)的通用設(shè)備，已是保障動力與儲能電池安全的關(guān)鍵技術(shù)，為新能源汽車和儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展保駕護航。(來源：科技日報 記者 吳純新 通 訊 員 高 翔)
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