鋰離子電池因高能量/功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、高倍率性能等優(yōu)勢(shì)成為了應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的電化學(xué)儲(chǔ)能器件之一。如何使電池這個(gè)“黑匣子”內(nèi)部可視化，且可直觀觀測(cè)電池內(nèi)部實(shí)時(shí)變化的技術(shù)非常必要。
北京萬(wàn)龍精益導(dǎo)控技術(shù)有限公司Feli系列電池超聲波檢測(cè)系統(tǒng)作為電池?zé)o損原位表征平臺(tái)工具正好補(bǔ)充了這一技術(shù)，對(duì)于提高研發(fā)工藝、提升生產(chǎn)工藝，提高鋰電池的安全性，助力提高電池良品率都有著深遠(yuǎn)的影響。
Feli1200電池超聲波檢測(cè)系統(tǒng)助力李泓研究員團(tuán)隊(duì)：混合固液鋰離子電池的熱失控行為研究——超聲法監(jiān)測(cè)電解液組分演變（引用： 靳欣，張建茹, 王其鈺, 張銳, 王碧童, 張中洋, 俞海龍, 禹習(xí)謙, 李泓， 混合固液鋰離子電池的熱失控行為研究[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2024, 13(1): 48-56.）
采用超聲檢測(cè)設(shè)備對(duì)不同循環(huán)周期的樣品進(jìn)行電解液含量情況測(cè)定。將不同容量保持率的電池樣品通過(guò)Feli1200型號(hào)超聲掃描系統(tǒng)進(jìn)行透射模式掃描測(cè)試。
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經(jīng)過(guò)超聲檢測(cè)分析，結(jié)合不同SOH電池的熱失控行為參數(shù)，表明該體系電池在循環(huán)使用過(guò)程中電解液不斷減少，而安全性方面(參考熱失控起始溫度和最高升溫速率等參數(shù))則是呈現(xiàn)逐步衰減后提高的情況。因此推測(cè)在循環(huán)后期(即70%SOH前后)，大部分電解液轉(zhuǎn)化成固態(tài)電解質(zhì)，導(dǎo)致熱失控起始溫度升高和最高升溫速率下降，即安全性有所改善。
Feli650電池超聲波檢測(cè)系統(tǒng)助力華中科技大學(xué)曹元成團(tuán)隊(duì)鋰電池安全領(lǐng)域新突破：電池?zé)崾Э貎?nèi)應(yīng)力信號(hào)演變規(guī)律與早期預(yù)警技術(shù)—分階段超聲掃查以探究膨脹力來(lái)源
提出了一種基于膨脹力的主動(dòng)安全預(yù)警方法，成功地在電池?zé)崾Э刂凹s375秒實(shí)現(xiàn)早期安全預(yù)警，并通過(guò)模塊驗(yàn)證有效防止熱蔓延。該研究為制定及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)警策略提供了實(shí)際參考，并為更安全的電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。相關(guān)研究成果以 “Effect of preload forces on multidimensional signal dynamic behaviours for battery early safety warning” 為題發(fā)表在Journal of energy chemistry上.
分階段超聲掃查以探究膨脹力來(lái)源 圖3(a-1)、(b-1)和(c-1)描繪了實(shí)驗(yàn)前的基準(zhǔn)超聲掃查圖像。同時(shí)，圖3(a-2)、(b-2)和(c-2)顯示了膨脹力異常時(shí)電池的超聲掃查圖像。從圖3（a-3）、（b-3）和（c-3）可以看出，電池冷卻后，在2000 N的預(yù)緊力下，電池內(nèi)部可能殘留微量電解液。電池在 4000 和 6000 N 預(yù)緊力下的超聲波掃查圖像主要顯示藍(lán)色和白色，因此表明在這兩種情況下電池充滿了氣體。分析認(rèn)為主要是：電池受熱后不斷膨脹，電解質(zhì)蒸發(fā)和氣體產(chǎn)生的副反應(yīng)是導(dǎo)致膨脹力增加的主要原因。
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圖3. 超聲波掃描圖像。(a) 6000N，(b)4000N，(c)2000N；(-1) 加熱前，(-2) 加熱直至 dF/dt = 5 N/s，(-3) 冷卻后。
電池內(nèi)部產(chǎn)氣表征
鋰離子電池產(chǎn)氣主要分為正常產(chǎn)氣與異常產(chǎn)氣。在電池化成工藝過(guò)程中消耗電解液形成穩(wěn)定SEI膜所發(fā)生的產(chǎn)氣現(xiàn)象為正常產(chǎn)氣。化成階段產(chǎn)氣主要為由酯類單/雙電子反應(yīng)產(chǎn)生了H、CO2,C2H4等。異常產(chǎn)氣主要是只在電池循環(huán)過(guò)程中，過(guò)渡消耗電解液釋放氣體或正極材料釋氧等現(xiàn)象，常出現(xiàn)在軟包電池中，造成電池內(nèi)部壓力過(guò)大而變形、撐破封裝鋁膜、內(nèi)部電芯接觸問(wèn)題等。實(shí)時(shí)關(guān)注電池內(nèi)部的產(chǎn)氣情況，在研發(fā)工藝、生產(chǎn)工藝、老化等非常必要，F(xiàn)eli系列電池超聲波檢測(cè)系統(tǒng)與充放電機(jī)及溫度控制相結(jié)合可以實(shí)時(shí)原位無(wú)損地監(jiān)測(cè)電池不同階段的荷電狀態(tài)（SOC）及健康狀況（SOH）。
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電池內(nèi)部電解液表征
利用超聲波在電解液浸潤(rùn)區(qū)域以及浸潤(rùn)不良區(qū)域透射率不同的特性，以超聲透射成像技術(shù)還原了電解液的浸潤(rùn)及老化情況，從而對(duì)電池健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)估，探究電池失效機(jī)制、優(yōu)化電池裝配過(guò)程。
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析鋰
析鋰是一種比較常見(jiàn)的鋰離子電池老化失效現(xiàn)象。表現(xiàn)形式主要是負(fù)極極片表面出現(xiàn)一層灰色、灰白色或者灰藍(lán)色物質(zhì)，這些物質(zhì)是在負(fù)極表面析出的金屬鋰。電池內(nèi)部的鋰源主要來(lái)自正極，且在密閉體系中其總量是不變的，析鋰會(huì)使電池內(nèi)部活性鋰離子數(shù)量減少，出現(xiàn)容量衰減，此外，鋰的沉積會(huì)形成枝晶刺穿隔膜，局部電流和產(chǎn)熱過(guò)大，造成電池安全性問(wèn)題。在電池充電過(guò)程中，活性鋰離子沒(méi)有正常地進(jìn)入電池負(fù)極，而是在負(fù)極表面達(dá)到了還原電位，被還原為單質(zhì)鋰。
利用超聲波在析鋰區(qū)域透射率不同的特性，F(xiàn)eli系列電池超聲檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)電池中形成鋰枝晶過(guò)程的可視化，從而對(duì)電池健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)估，探究電池失效機(jī)制、優(yōu)化電池材料配方、電芯制造工藝、電池使用環(huán)境(包括充放電制度和充放電環(huán)境)等方面。
清華大學(xué)張強(qiáng)等指出影響枝晶生長(zhǎng)的主要因素為電流密度、溫度和電量，通過(guò)加入電解液添加劑、人造SEI、高鹽濃度電解液、結(jié)構(gòu)化負(fù)極、優(yōu)化電池構(gòu)型設(shè)計(jì)等措施來(lái)抑制枝晶的生長(zhǎng)。
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電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化
電池在裝配中會(huì)因?yàn)橹圃飙h(huán)境過(guò)程中制造工藝的意外導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，如封邊不良、極片折疊、隔膜褶皺、殘留氣體、夾雜等等。
超聲對(duì)以上結(jié)構(gòu)缺陷具有敏感性，可以將其反映在掃描成像中。
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Feli系列電池超聲波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備介紹
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Feli 系列電池超聲波檢測(cè)系統(tǒng)是一種無(wú)損原位表征手段，廣泛應(yīng)用于電池生產(chǎn)廠、高校、研究院所，以及電池回收利用等領(lǐng)域，可用于電池研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，生產(chǎn)工藝室、質(zhì)量部、生產(chǎn)過(guò)程的抽檢、出廠檢測(cè)、電池安全壽命預(yù)測(cè)等部門。
利用聲波對(duì)電芯內(nèi)物理化學(xué)變化的敏感性進(jìn)行原位無(wú)損的成像，進(jìn)而得到電池內(nèi)部狀態(tài)變化信息。實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池內(nèi)電解液浸潤(rùn)狀態(tài)、副反應(yīng)產(chǎn)氣、析鋰、固化狀態(tài)、極片缺陷、隔膜褶皺等特征地?zé)o損表征成像。
可實(shí)現(xiàn)多種顯示功能：A掃描波形、B掃描斷面圖、C掃描圖像、D掃描顯示、層析等。可通過(guò)缺陷識(shí)別功能統(tǒng)計(jì)析鋰面積、氣泡面積、浸潤(rùn)效果等數(shù)據(jù)。
相較于傳統(tǒng)電池檢測(cè)手段，電池超聲檢測(cè)技術(shù)具有效率高、成本小、無(wú)污染且定位精準(zhǔn)的特點(diǎn)，為電芯研究、生產(chǎn)、服役、梯次回收提供了有效的原位免拆解表征手段。
該技術(shù)可用于：軟包電池、硬殼電池、固態(tài)電池等 https://www.dklead.com/
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