超聲波“透視眼”無損檢測(cè)軟包電池

超聲波掃描儀原理說明

鋰離子電池是移動(dòng)電子、電動(dòng)汽車和大型儲(chǔ)能站中最成功的儲(chǔ)能裝置。然而，鋰離子電池在能量密度、循環(huán)壽命和安全性等方面仍面臨挑戰(zhàn)。近年來，許多新的表征方法被應(yīng)用于鋰離子電池的研究中，然而能夠表征軟包電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損原位檢測(cè)方法仍然少見。目前，迫切需要廉價(jià)、方便、快速的表征方法來研究鋰離子電池內(nèi)電解質(zhì)和氣體的相關(guān)變化，這將有利于提高鋰離子電池的安全性。

近日，加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)教授Jeff. R. Dahn、華中科技大學(xué)教授黃云輝和副教授沈越合作在《焦耳》上發(fā)文，研究利用自行設(shè)計(jì)和制造的新型超聲波掃描機(jī)，測(cè)量軟包電池的局部超聲透射率，并將其用于成像。通過這種超聲成像技術(shù)能夠清楚地觀察到電池的潤(rùn)濕過程，可作為一種非常靈敏的探測(cè)鋰離子軟包電池失效機(jī)制的方法。

根據(jù)論文內(nèi)容，超聲波從一側(cè)的聚焦換能器發(fā)射，穿透電池，并被另一側(cè)的另一個(gè)換能器接收。在聚焦超聲束路徑上，材料物理性質(zhì)的變化會(huì)影響傳輸?shù)某暡ㄐ盘?hào)。由于超聲波是一種機(jī)械波，它需要一種介質(zhì)來傳播。電池中的電極可以看作是緊密堆積的微粒，當(dāng)電極干燥時(shí)，超聲波只能通過粒子間的直接接觸傳播。這些不規(guī)則粒子會(huì)產(chǎn)生大量的反射和折射，導(dǎo)致超聲信號(hào)的快速衰減。超聲波的大部分能量被這些粒子之間的摩擦所消耗。但是，如果電極被電解液潤(rùn)濕，電解液可以作為聲波的介質(zhì)，為超聲波傳播提供額外的路徑。因此，超聲成像對(duì)鋰離子電池的潤(rùn)濕狀態(tài)非常敏感，可以用來研究鋰離子電池的干燥和“未浸潤(rùn)”。

研究人員開發(fā)的超聲波成像技術(shù)是一種非常有用的無損檢測(cè)方法，可以用來檢查軟包電池內(nèi)電解質(zhì)和/或氣體的狀態(tài)。超聲波透射成像可以快速確定電池的最小電解液注入量和潤(rùn)濕時(shí)間，有助于優(yōu)化電池制造工藝。因此，該技術(shù)可用于研究電池老化，并在不拆卸電池的情況下找到電解液干涸或“未潤(rùn)濕”的證據(jù)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.07.014