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超聲技術(shù)在鋰離子電池表征中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2019-12-19  點(diǎn)擊次數(shù)：人次  分享：

      受能源危機(jī)與環(huán)境危機(jī)的影響，開(kāi)發(fā)綠色新能源成為決定世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要技術(shù)領(lǐng)域之一。電化學(xué)儲(chǔ)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(diǎn)，被認(rèn)為是解決這一問(wèn)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(xué)儲(chǔ)能器件，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、電網(wǎng)儲(chǔ)能、新能源汽車等領(lǐng)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(biāo)尚未完全滿足產(chǎn)業(yè)界的需求，因此有必要對(duì)其性能的限制因素和失效機(jī)制進(jìn)行更深入的研究，進(jìn)一步提高綜合電性能。

     深入的機(jī)理分析離不開(kāi)先進(jìn)的表征技術(shù)。當(dāng)前 針對(duì)鋰離子電池性能表征的技術(shù)手段可分為原位分析和拆解分析兩大類。一般來(lái)說(shuō)， 可獲取豐富信息量的表征手段大多需要對(duì)電池進(jìn)行拆解，但很多電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息在拆解過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，所以亟需開(kāi)發(fā)一種可對(duì)電池進(jìn)行原位無(wú)損表征的手段，特別是多物理特性的實(shí)時(shí)測(cè)量方法，通過(guò)構(gòu)效關(guān)系分析電池性能的影響因素。

     超聲波檢測(cè)作為無(wú)損檢測(cè)的方法之一，最早開(kāi)始于1930年，利用進(jìn)入被檢材料的超聲波對(duì)材料表面或內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。與其他檢測(cè)技術(shù)相比，超聲檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)對(duì)象范圍廣、深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、靈敏度高、成本低、使用方便、速度快、對(duì)人體無(wú)害以及便于現(xiàn)場(chǎng)使用等特點(diǎn)。超聲波的本質(zhì)是一種聲波，且歸于機(jī)械波，它是周期性的機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播形式。當(dāng)在壓電材料兩面的電極上加上電壓時(shí)，材料就會(huì)按照電壓的正負(fù)和大小，在厚度方向發(fā)生伸縮振動(dòng)。利用這一性質(zhì)，若加上高頻電壓，就會(huì)產(chǎn)生高頻伸縮現(xiàn)象。將這個(gè)伸縮振動(dòng)設(shè)法加到被測(cè)電池上，電池表面質(zhì)點(diǎn)也會(huì)隨之產(chǎn)生振動(dòng)，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(hào)，觀察和測(cè)定其穿過(guò)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(yīng)力、界面強(qiáng)度、厚度等物理參數(shù)的變化。

    超聲波通常為波長(zhǎng)毫米數(shù)量級(jí)的機(jī)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(shí)，能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，但在氣體中衰減系數(shù)極大且在固-氣、固-液界面會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的反射。借助超聲波的這些特性搭建相應(yīng)的電池測(cè)試系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的產(chǎn)氣現(xiàn)象、電解液浸潤(rùn)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(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝參數(shù)的調(diào)整、新型電極材料的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

內(nèi)容轉(zhuǎn)自 《儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)》

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