超声技术在锂离子电池表征中的应用

发布时间：2019-12-19  点击次数：人次  分享：

      受能源危机与环境危机的影响，开发绿色新能源成为决定世界经济发展的重要技术领域之一。电化学储能凭其可循环、高效、环保、低成本、同现有能源体系匹配性好等特点，被认为是解决这一问题的良好途径。锂离子二次电池作为一种稳定可靠的电化学储能器件，被广泛应用于消费电子产品、电网储能、新能源汽车等领域，然而它在容量、倍率性能、循环寿命、安全性等方面的指标尚未完全满足产业界的需求，因此有必要对其性能的限制因素和失效机制进行更深入的研究，进一步提高综合电性能。

     深入的机理分析离不开先进的表征技术。当前 针对锂离子电池性能表征的技术手段可分为原位分析和拆解分析两大类。一般来说， 可获取丰富信息量的表征手段大多需要对电池进行拆解，但很多电池内部结构信息在拆解过程中会发生变化，所以亟需开发一种可对电池进行原位无损表征的手段，特别是多物理特性的实时测量方法，通过构效关系分析电池性能的影响因素。

     超声波检测作为无损检测的方法之一，最早开始于1930年，利用进入被检材料的超声波对材料表面或内部缺陷进行检测。与其他检测技术相比，超声检测技术具有检测对象范围广、深度大、缺陷定位准确、灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无害以及便于现场使用等特点。超声波的本质是一种声波，且归于机械波，它是周期性的机械振动在介质中的传播形式。当在压电材料两面的电极上加上电压时，材料就会按照电压的正负和大小，在厚度方向发生伸缩振动。利用这一性质，若加上高频电压，就会产生高频伸缩现象。将这个伸缩振动设法加到被测电池上，电池表面质点也会随之产生振动，从而产生声波，声波在电池内部传递并与电极材料相互作用，获取电极材料的物理信息。如果采用相反的方式接收同电极材料作用后的超声信号，观察和测定其穿过材料后的声速、衰减、共振频率、二次谐波等特征信息，便可得知材料中晶粒度、弹性模量、硬度、内应力、界面强度、厚度等物理参数的变化。

    超声波通常为波长毫米数量级的机械波，具有良好的方向性，其能量与频率的平方成正比，在固态和液态介质中传播时，能量损失小，传播距离大，穿透能力强，但在气体中衰减系数极大且在固-气、固-液界面会发生强烈的反射。借助超声波的这些特性搭建相应的电池测试系统，能实现对电池的产气现象、电解液浸润状况、析锂分布、荷电状态和健康状态等内部结构特征信息的表征分析，为电池的设计、生产工艺参数的调整、新型电极材料的开发提供依据。

内容转自 《储能科学与技术》

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