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(shù)領(lǐng)域之一。電化學(xué)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(xué)儲能器件，被廣泛應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品、電網(wǎng)儲能、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(shù)。當前 針對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(guān)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(shù)相比，超聲檢測技術(shù)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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)。
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