【成果介紹】
鋰離子電池超聲掃描儀是利用超聲波成像技術(shù)，從聲學(xué)角度來(lái)表征鋰電池內(nèi)部多相結(jié)構(gòu)變化的檢測(cè)設(shè)備。它可以實(shí)現(xiàn)軟包電池及方形電池中電解液浸潤(rùn)狀況及微量產(chǎn)氣的原位無(wú)損檢測(cè)，并能迅速靈敏地反映電解液浸潤(rùn)狀態(tài)，評(píng)價(jià)電解液穩(wěn)定性，檢測(cè)SEI生長(zhǎng)情況，從而對(duì)電池的健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)估，為優(yōu)化電池裝配工藝，分析電池失效機(jī)制等方面提供了創(chuàng)新性的技術(shù)手段和有效途徑，有助于實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的安全性預(yù)警與故障的及早排除。
痛點(diǎn)問(wèn)題：鋰電池整體為封閉式結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)光、紅外線、電子束等信息載體無(wú)法穿透金屬外殼，內(nèi)部狀態(tài)難以直接觀測(cè)，無(wú)法獲知是否存在如電解液浸潤(rùn)不良、產(chǎn)氣等影響電池性能，甚至導(dǎo)致安全隱患的因素，極大阻礙了鋰離子電池的規(guī)模化發(fā)展及應(yīng)用，亟需一種原位、無(wú)損的新型表征技術(shù)來(lái)研究這些結(jié)構(gòu)演變。
本技術(shù)集成了多頻率組合、干耦合聚焦聲束設(shè)計(jì)、模型電池對(duì)標(biāo)、小波變換、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AI識(shí)別等原創(chuàng)方法，研究了大量電池樣本的超聲透過(guò)特征，厘清了電池內(nèi)部電解液浸潤(rùn)不足、產(chǎn)氣、析鋰、荷電狀態(tài)變化、界面裂紋等結(jié)構(gòu)信息的對(duì)超聲波透射信號(hào)的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了上述結(jié)構(gòu)信息的亞毫米級(jí)成像。已開(kāi)發(fā)出的鋰離子電池超聲掃描儀具有直觀、原位、快速、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)，且靈敏度極高，往往可以先于電化學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部的問(wèn)題。
【技術(shù)優(yōu)勢(shì)】
（1）電解液浸潤(rùn)成像
如圖1所示，綠色均勻的區(qū)域?yàn)殡娊庖航?rùn)完全的區(qū)域，而顏色偏藍(lán)的部分為電解液尚未浸潤(rùn)完全的區(qū)域。通過(guò)超聲的圖像變化可以看出，此軟包電池在經(jīng)歷了42小時(shí)的靜置才達(dá)到內(nèi)部浸潤(rùn)完全狀態(tài)，所以此種軟包電池注液和化成兩步驟間的時(shí)間間隔需要設(shè)定為42小時(shí)以上。這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于實(shí)際電池生產(chǎn)過(guò)程中的工藝優(yōu)化有著重大意義。
圖1 某軟包鋰電池電解液浸潤(rùn)情況的超聲掃描檢測(cè)結(jié)果
（2）微量氣體檢測(cè)成像
由于超聲波在氣體介質(zhì)中的傳播非常困難，可利用其對(duì)氣體敏感的特性實(shí)現(xiàn)成像目的。如圖2所示，在塑料片中密封一層厚度約50μm且具有一定形狀的氣體，模擬電池內(nèi)部產(chǎn)氣，將其放置在電池表面后進(jìn)行超聲掃描檢測(cè)，超聲信號(hào)會(huì)因氣體的存在而無(wú)法穿透電池，于是呈現(xiàn)出既定的成像，該超聲檢測(cè)精度可達(dá)1 mm。
圖 模擬產(chǎn)氣電池的超聲檢測(cè)圖
（3）析鋰檢測(cè)成像
圖3為某軟包電池在0 oC下的充放電循環(huán)超聲測(cè)試結(jié)果。電池經(jīng)充放電后，中心區(qū)域觀察到超聲信號(hào)強(qiáng)度劇烈衰減，初步判斷有析鋰發(fā)生，通過(guò)拆解電池比對(duì)，可觀察到隔膜上靠負(fù)極一側(cè)存在有刺入隔膜的活性鋰，拆解結(jié)果與超聲測(cè)試結(jié)果吻合。
圖3 某軟包鋰電池析鋰的超聲掃描測(cè)試結(jié)果及拆解圖像
（4）SoC分布成像
對(duì)于大電池而言，由于內(nèi)部材料分布不一定均勻，且極耳在空間分布上不對(duì)稱等因素的影響，實(shí)際電池內(nèi)部存在不同區(qū)域內(nèi)SoC不一致的現(xiàn)象。鋰電池的充放電過(guò)程中鋰離子在正負(fù)極材料上的嵌入和脫出，不同SoC下正負(fù)極材料的嵌鋰/脫鋰態(tài)不同，宏觀表現(xiàn)為電池結(jié)構(gòu)特性上的不同，超聲對(duì)電池結(jié)構(gòu)特性有著較為明顯的響應(yīng)。利用鋰離子電池超聲掃描儀獲取整塊電池的聲特性分布信息，可對(duì)電池的SoC分布成像和實(shí)現(xiàn)高精度SoC監(jiān)測(cè)。下圖是經(jīng)過(guò)歸一化處理后得到的某軟包鋰電池不同位置SoC變化的超聲掃描圖。不難發(fā)現(xiàn)，該鋰電池右下角靠近正極極耳部分的充電速度高于其他區(qū)域。
圖4 超聲解析的某軟包鋰電池在充電過(guò)程中SoC分布圖像
（5）循環(huán)穩(wěn)定性預(yù)判
分別注入電解液A和電解液B的兩個(gè)軟包電池，在前270圈的充放電循環(huán)過(guò)程中，電壓-容量曲線無(wú)明顯變化，無(wú)法對(duì)其循環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行比較。通過(guò)超聲掃描測(cè)試，不難發(fā)現(xiàn)（如下圖），注入電解液A的軟包電池的內(nèi)部已出現(xiàn)大部分藍(lán)色區(qū)域，而另一塊電池的內(nèi)部區(qū)域未見(jiàn)藍(lán)色，可見(jiàn)循環(huán)穩(wěn)定性更佳。超聲對(duì)微量產(chǎn)氣具有超靈敏性，可先于電化學(xué)方法檢測(cè)到副反應(yīng)，進(jìn)而預(yù)判長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。
圖5 超聲檢測(cè)預(yù)判注入不同電解液的鋰電池循環(huán)穩(wěn)定性
【技術(shù)指標(biāo)】
鋰離子電池超聲掃描儀通過(guò)高精度采集鋰電池電化學(xué)性能與內(nèi)特性變化引起的超聲信號(hào)特征參數(shù)的變化量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池內(nèi)部電解液分布、微量氣體分布、SEI膜生長(zhǎng)、荷電狀態(tài)和析鋰程度等變化的原位無(wú)損監(jiān)測(cè)。
目前已實(shí)現(xiàn)鋰離子電池超聲掃描儀的小批量生產(chǎn)，被戴姆勒、通用汽車、比亞迪、華為、ATL等30余家企業(yè)應(yīng)用于新型電池研發(fā)、失效機(jī)制分析、極限工況確定、梯次利用篩檢等領(lǐng)域。特斯拉電池項(xiàng)目研究主席Jeff Dahn院士評(píng)價(jià)該成果為“優(yōu)秀的設(shè)備”。
【應(yīng)用場(chǎng)景】
領(lǐng)域：新能源電池技術(shù)研究
產(chǎn)業(yè)：新能源產(chǎn)業(yè)
場(chǎng)景：新型電池研發(fā)、電池品質(zhì)控制/失效分析、梯次利用篩檢
對(duì)象：電芯生產(chǎn)/使用企業(yè)、儲(chǔ)能電站、電池回收企業(yè)、高校、科研院所
【應(yīng)用案例】
與該技術(shù)直接相關(guān)產(chǎn)品為電池?zé)o損智能診斷系統(tǒng)（UBSC-LD系列），該產(chǎn)品適用于軟包和方形硬殼鋰離子電池，掃描面積600 mm * 300 mm，穿透深度70 mm，面內(nèi)分辨率0.5 mm，溫控范圍-20 ~ 80 oC，精度為±0.5 oC，可進(jìn)行充放電/電化學(xué)阻抗譜同步超聲測(cè)試。功能特點(diǎn)如下：（1）可靈敏地判斷樣品內(nèi)部是否有氣泡存在、電解液分布是否均一，以及鋁塑膜封邊質(zhì)量的優(yōu)劣；（2）免拆解對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低溫析鋰，快速判斷不同溫度、不同SoC下的析鋰邊界電流；（3）基于聲學(xué)的SoC物理監(jiān)測(cè)，無(wú)需安時(shí)積分法而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的荷電狀態(tài)監(jiān)測(cè)，精度優(yōu)于3%；（4）根據(jù)充放電循環(huán)中聲學(xué)參數(shù)變化，快速預(yù)測(cè)樣品“跳水”。
【市場(chǎng)前景】
由于鋰電池生產(chǎn)廠家在技術(shù)上的革新，性能和安全性的提升，人們對(duì)鋰電池的需求仍會(huì)不斷增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2024年，我國(guó)鋰電池行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)1500億元。鋰電池檢測(cè)技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模也正隨著儲(chǔ)能與動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展同步迅速擴(kuò)張，預(yù)計(jì)到2021年底，全球鋰電池檢測(cè)系統(tǒng)市場(chǎng)需求將超過(guò)160億元，國(guó)內(nèi)鋰電池檢測(cè)系統(tǒng)的市場(chǎng)空間也將突破百億元大關(guān)。
【知識(shí)產(chǎn)權(quán)】
該成果已授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利7項(xiàng)及美國(guó)發(fā)明專利1項(xiàng)，下表所示為部分展示：
【合作方式】
技術(shù)服務(wù)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、面談
【專家介紹】
沈越，副教授，博士生導(dǎo)師，2006年和2011年分別獲得北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院學(xué)士和博士學(xué)位，期間在美國(guó)佐治亞理工學(xué)院交流訪問(wèn)2年；2011年加入華中科技大學(xué)。主要研究方向包括：鋰離子電池檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)、鋰空氣電池。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng)，青年項(xiàng)目1項(xiàng)，博士后科學(xué)基金面上一等資助1項(xiàng)，特別資助1項(xiàng)，以第一作者或通訊作者身份在Science、Joule、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文累計(jì)30余篇，獲國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)，榮獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名第五）。
【聯(lián)系方式】
