受能源危機與環(huán)境危機的影響，開發(fā)綠色新能源成為決定世界經(jīng)濟發(fā)展的重要技術領域之一。電化學儲能憑其可循環(huán)、高效、環(huán)保、低成本、同現(xiàn)有能源體系匹配性好等特點，被認為是解決這一問題的良好途徑。鋰離子二次電池作為一種穩(wěn)定可靠的電化學儲能器件，被廣泛應用于消費電子產(chǎn)品、電網(wǎng)儲能、新能源汽車等領域，然而它在容量、倍率性能、循環(huán)壽命、安全性等方面的指標尚未完全滿足產(chǎn)業(yè)界的需求，因此有必要對其性能的限制因素和失效機制進行更深入的研究，進一步提高綜合電性能。
深入的機理分析離不開先進的表征技術。當前 針對鋰離子電池性能表征的技術手段可分為原位分析和拆解分析兩大類。一般來說， 可獲取豐富信息量的表征手段大多需要對電池進行拆解，但很多電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息在拆解過程中會發(fā)生變化，所以亟需開發(fā)一種可對電池進行原位無損表征的手段，特別是多物理特性的實時測量方法，通過構(gòu)效關系分析電池性能的影響因素。
超聲波檢測作為無損檢測的方法之一，最早開始于1930年，利用進入被檢材料的超聲波對材料表面或內(nèi)部缺陷進行檢測。與其他檢測技術相比，超聲檢測技術具有檢測對象范圍廣、深度大、缺陷定位準確、靈敏度高、成本低、使用方便、速度快、對人體無害以及便于現(xiàn)場使用等特點。超聲波的本質(zhì)是一種聲波，且歸于機械波，它是周期性的機械振動在介質(zhì)中的傳播形式。當在壓電材料兩面的電極上加上電壓時，材料就會按照電壓的正負和大小，在厚度方向發(fā)生伸縮振動。利用這一性質(zhì)，若加上高頻電壓，就會產(chǎn)生高頻伸縮現(xiàn)象。將這個伸縮振動設法加到被測電池上，電池表面質(zhì)點也會隨之產(chǎn)生振動，從而產(chǎn)生聲波，聲波在電池內(nèi)部傳遞并與電極材料相互作用，獲取電極材料的物理信息。如果采用相反的方式接收同電極材料作用后的超聲信號，觀察和測定其穿過材料后的聲速、衰減、共振頻率、二次諧波等特征信息，便可得知材料中晶粒度、彈性模量、硬度、內(nèi)應力、界面強度、厚度等物理參數(shù)的變化。
超聲波通常為波長毫米數(shù)量級的機械波，具有良好的方向性，其能量與頻率的平方成正比，在固態(tài)和液態(tài)介質(zhì)中傳播時，能量損失小，傳播距離大，穿透能力強，但在氣體中衰減系數(shù)極大且在固-氣、固-液界面會發(fā)生強烈的反射。借助超聲波的這些特性搭建相應的電池測試系統(tǒng)，能實現(xiàn)對電池的產(chǎn)氣現(xiàn)象、電解液浸潤狀況、析鋰分布、荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征信息的表征分析，為電池的設計、生產(chǎn)工藝參數(shù)的調(diào)整、新型電極材料的開發(fā)提供依據(jù)。
內(nèi)容轉(zhuǎn)自 《儲能科學與技術》
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