鋰離子電池超聲掃描系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)判斷電池使用過(guò)程中的健康狀態(tài)

起火、燃燒、爆炸……隨著新能源汽車(chē)保有量的增加，與動(dòng)力電池相關(guān)的安全事故似乎越來(lái)越多。

“這些年，因?yàn)檫^(guò)充、過(guò)熱、機(jī)械損傷等問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)的安全事故時(shí)有發(fā)生?！痹诮諓?ài)思唯爾在線組織的能源前沿論壇上，華中科技大學(xué)教授黃云輝說(shuō)。

新能源汽車(chē)國(guó)家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟曾發(fā)布的《新能源汽車(chē)國(guó)家監(jiān)管平臺(tái)大數(shù)據(jù)安全監(jiān)管成果報(bào)告》顯示，僅去年5月至7月，就發(fā)生了79起自燃安全事故，平均每一天半就有一起事故發(fā)生。

黃云輝介紹，目前，車(chē)用動(dòng)力電池以三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池為主，市場(chǎng)集中度極高，但動(dòng)力電池在高能量密度、高安全、長(zhǎng)壽命、低成本方面均面臨挑戰(zhàn)。

于是，如何以科技手段確保電池安全，成為黃云輝關(guān)注的問(wèn)題?！?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/6503/" target="_blank">鋰離子電池的安全性是其在電動(dòng)汽車(chē)和規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用中最重要的性能指標(biāo)，特別是對(duì)高能量密度的電池來(lái)說(shuō)?！秉S云輝說(shuō)。

在他看來(lái)，電池安全問(wèn)題出現(xiàn)的主要原因是電池的熱失控和安全性失效，因此，在設(shè)計(jì)高能量密度和高安全電池時(shí)，需要有一些面向電池材料、電芯、模組及系統(tǒng)等的研發(fā)策略，其中之一就是要想辦法對(duì)電池的健康狀態(tài)（SOH）和荷電狀態(tài)（SOC）進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，以確保電池包中的各個(gè)電池在適宜的溫度和電壓范圍內(nèi)工作，并能夠?qū)Ξ惓ｋ姵丶捌錉顟B(tài)作出預(yù)警和切實(shí)響應(yīng)。

近年來(lái)，黃云輝帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在研發(fā)無(wú)枝晶的高容量金屬鋰負(fù)極、超薄的柔性聚合物固態(tài)電解質(zhì)以及面向固態(tài)電池的關(guān)鍵電極材料的同時(shí)，研發(fā)出了鋰離子電池超聲掃描系統(tǒng)。

“這就像是給電池做‘B超’?！秉S云輝表示，“以往，‘B超’都是利用超聲掃描觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如今我們可以通過(guò)超聲掃描檢測(cè)電池的內(nèi)部狀態(tài)。這個(gè)技術(shù)準(zhǔn)確地講，是通常使用的‘B超’的升級(jí)版——‘C超’技術(shù)?！?/p>

基于超聲技術(shù)，超聲掃描設(shè)備系統(tǒng)通過(guò)可視化技術(shù)，可以在靜態(tài)或在線情況下無(wú)損地直接透視電池內(nèi)部，直觀觀察到電池內(nèi)部的缺陷及氣體和液體分布。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以利用超聲阻抗的改變，檢測(cè)電極材料脫嵌鋰及固體電解質(zhì)界面膜（SEI膜）生長(zhǎng)情況，快速診斷并發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部微量產(chǎn)氣，監(jiān)測(cè)判斷電池使用過(guò)程中的健康狀態(tài)。

黃云輝介紹，電池超聲掃描設(shè)備與X射線檢測(cè)技術(shù)有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，可以解決許多X射線不能解決的問(wèn)題。比如可以利用超聲波在電解液浸潤(rùn)不良區(qū)域透射率低的特性，檢測(cè)電解液浸潤(rùn)情況；通過(guò)對(duì)電池內(nèi)部微升級(jí)氣體檢測(cè)，評(píng)價(jià)電解液穩(wěn)定性、三元材料包覆層有效性、析鋰極限工況等各類(lèi)SOH指標(biāo)；通過(guò)觀察電池故障伴隨的超聲特征值的急劇變化，及早剔除故障電芯，避免嚴(yán)重的安全事故；通過(guò)電池循環(huán)過(guò)程中超聲信號(hào)的衰減變化預(yù)測(cè)電池的循環(huán)壽命；此外，設(shè)備還可以檢測(cè)電池的荷電狀態(tài)，對(duì)電池SOC估算精度的誤差在1%——3%，遠(yuǎn)好于常規(guī)手段。

2015年，在國(guó)家自然科學(xué)基金委的項(xiàng)目支持下，黃云輝及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了對(duì)電池超聲掃描分析技術(shù)的基礎(chǔ)研究，將超聲信號(hào)和電池的電化學(xué)信號(hào)結(jié)合起來(lái)。2017年起，他們?cè)谌A中科技大學(xué)無(wú)錫研究院開(kāi)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)開(kāi)發(fā)，成功研制了適用于不同場(chǎng)景的電池超聲掃描儀系列產(chǎn)品，成為國(guó)際上最早的鋰電池超聲無(wú)損智能診斷系統(tǒng)。

對(duì)于該類(lèi)電池超聲掃描儀，特斯拉電池項(xiàng)目研究主席杰夫·達(dá)恩在使用后評(píng)價(jià)道：“我們已經(jīng)用它來(lái)研究電解液浸潤(rùn)、電解液穩(wěn)定性以及老化電池中電解液的損耗，我們認(rèn)為它還可以被用于研究電池內(nèi)電解液極化過(guò)程，這方面實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始，還可以想象用這臺(tái)優(yōu)秀的儀器完成許多其它實(shí)驗(yàn)。該設(shè)備的軟件也很好用，一個(gè)小時(shí)的培訓(xùn)即可輕松掌握?！?/p>

黃云輝表示，目前電池超聲掃描技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)服務(wù)于華為、特斯拉、寧德新能源等十余家鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，解決了許多技術(shù)難題，并將不斷完善，以發(fā)揮更大作用。

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