吕炎教授：超声多阵元锂离子电池检测系统研制及梯次应用探索

在江苏·溧阳，一场关于电池失效分析与测试技术的研讨会于2024年8月8日至9日隆重举行。此次研讨会由长三角物理研究中心领航，天目湖先进储能技术研究院主办，溧阳深水科技咨询有限公司承办，汇聚了众多业内精英。其中，北京工业大学的吕炎教授受邀发表了主题为“超声多阵元锂离子电池检测系统研制及梯次应用探索”的报告，深入探讨了锂离子电池的超声多阵元检测技术及其在梯次利用方面的应用前景。
吕炎教授（北京工业大学）深入探讨了超声技术在电池检测中的应用，指出超声技术主要在电池的生产、服役和梯次利用三个阶段发挥作用。在生产端，由于电池中的气体和液体难以通过射线进行表征，因此超声技术成为最佳的检测方法，其原理在于不同阻抗的差异。在电池服役过程中，SOC和SOH的表征显得尤为重要，而这两者的监测正是超声技术的优势所在。虽然曾面临一些质疑，但近年来电池监测已成为重点研发领域，进一步推动了超声技术在电池检测中的应用。此外，梯次利用已成为电池后端市场的新机遇。随着大量电动汽车电池即将退役，如何有效利用这些退役电池成为行业关注的焦点。而超声技术则能在这一过程中发挥关键作用，通过分容筛选降低能耗，同时快速实现电池的分类。从202015年国内开始探索超声测电池技术至今，该技术已逐渐成熟并得到广泛应用。
在梯次利用阶段，电池的快速检测显得尤为重要。我们主要探讨了梯次利用的相关事宜。对于生产端，目前市场上已经涌现出多家超声技术公司，例如中国唯一上市的多普勒公司，其推出的滚轮超声检测装置在行业内具有一定的影响力。然而，该装置在实际应用中面临一些问题。由于滚轮的橡胶材质较硬，其接触力和耦合特性对检测效能产生直接影响。

为了进一步研究这一问题，我们进行了仿真和实际测试。在软包电池的上中下三层中，存在气泡的情况下，超声技术能够有效地检测到毫米级的缺陷。但需要注意的是，由于频率限制在1兆赫兹以内，因此所能检测到的缺陷尺寸大约在毫米级别。此外，不同工作人员在使用滚轮进行检测时，由于按压力度和耦合特性的差异，所得结果可能存在不一致性。

另一方面，我们也对浸润性进行了测试。虽然滚轮检测浸润性时存在一定问题，但生产过程中通常会通过称重等方式来量化浸润程度，其精度在百分之几十的范围内还是相对较高的。

对于服役过程中的电池SOC和SOH检测，我们研发了MFC压电传感器。这种传感器虽然薄至零点几个毫米，但价格相对较高。在测试中，我们发现该传感器能够有效地检测到软包电池的电学特性，特别是渡越时间与SOC、SOH之间的关联性非常紧密。这进一步证实了超声技术在监测SOC和SOH方面的有效性。

此外，我们还对电池进行了区域化传感器布置，以便对电池不同区域的SOC进行实时检测。最后，通过学生们的算法评估，在WLTC工况下，该技术的SOC检测误差控制在2%以内，虽然相比电学测量精度略低一些，但已经能够满足实际应用的需求。
最后，我们探讨了梯次利用中电池容量快速分类的问题。在一万块电池中，如果能通过超声技术将其分为10类，那么每类只需抽取一块进行电学分容，即可测定其SOC。这体现了超声技术在快速分类方面的关键作用，满足了企业快速、高效的需求。然而，传统的滚轮检测方法显然无法满足这一需求。

为了解决这一问题，我们尝试了多种方法。其中一种技术是利用超声C扫，将其置于油或液体中扫描，从而避免耦合影响。但这种方法显然不适用于大批量检测。因此，我们进一步探索了一种折中的方案：设计了一种多阵元传感器，直接按压在电池上，实现扫查与耦合的分离。

该传感器采用蜂窝状结构设计，一个人发射信号，对面七个人接收，将七人的信号混合重构后提取特征。这样，我们能够覆盖更多的传播路径，增加信息量。此外，我们还加入了力传感器和弹簧机构，确保向下压力的一致性。同时，传感器前端的软性橡胶材料能够透过声音，避免进水进油的问题。

在实际应用中，我们对大批量的电池进行了测试。其中，一些企业老板甚至寄来了大量电池进行测试。通过我们的技术，能够快速、准确地测定电池的SOC和SOH，为梯次利用提供了有力支持。
共有三张大图展示，每张图中的大方格代表一块电池。观察左图，可见16块电池中，仅右下角两块状态不佳，其余电池均表现良好。因此，我们首批筛选的电池SOH达到80%，这得益于我们当前的技术手段，能够在不考虑耦合的情况下，迅速准确地测定电池的SOH特性。

进一步探讨超声技术的应用，我们发现它不仅能用于电池的快速分类，还能在生产端进行其他重要监测。例如，通过超声导波技术，我们可以实时监测电池的SOC和SOH状态，为储能电站的安全运行提供有力支持。此外，基于超声的特殊性质，我们还能对电池进行精细筛选，确保产品质量。

在实验过程中，我们与领声科技合作，研究了不同电解液对电池性能的影响。通过注入0266等电解液并观察其在不同循环下的表现，我们发现015电解液在350圈后性能下降明显。利用超声技术，我们可以实时反映电解液与当前材料工艺的适配性，为电池研发提供有力支持。同时，我们还模拟了气泡对电池性能的影响，通过透射图像清晰地观察到气泡对锂离子传输和电池寿命的负面影响。

此外，我们还观察到电极褶皱现象。新出厂的电池电极平整，但长时间使用后，锂离子在摇摆过程中产生的应力会导致电极层产生褶皱，类似于皮肤皱纹的形成。这一发现为我们进一步优化电池设计提供了重要参考。
再形象一点，就像你的皮肤长时间浸泡在水中后出现的发白和褶皱。当这种情况严重时，电池的隔膜或电极可能会出现叠层。利用超声技术，我们可以检测到这些隔膜的褶皱行为。当然，除了超声，射线检测也是一种方法。通过一些算法，我们可以利用超声对这些褶皱进行3D重构。
说到超声在电池测试中的应用，我们北京工业大学从2018年、2019年就开始研究了。虽然时间不算长，但我们已经取得了一些进展。我希望我的讲解能够让大家听得懂，并对此产生兴趣。如果需要更深入的了解或合作，欢迎联系我。

针对您提出的问题，关于超声是否能锁定坏掉的电池，答案是肯定的。但首先，电池需要能够被成功拆解。至于尺寸问题，虽然我们曾测试过刀片等更大型的电池部件，但关键还是在于拆解过程中是否保持了电池的完整性。

此外，我们还可以利用超声技术来测量极片、隔膜之间的间隙、均匀性和压力程度。如果电池内部出现分层或脱层的情况，那么通过超声可以准确检测出来。但需要注意的是，对于已经装在壳子里的电池，想要精确测量空隙的厚度和面积可能会有些困难。同时，如果电池没有注液或者液体层与材料层之间存在脱层现象，那么测量液体层的厚度也会变得相对困难。
Q5：注液完成后，我们还需要关注极片间的应力状况，因为这同样会影响锂离子在电池内的迁移。
A5：针对这一问题，2021年陈浩森老师团队在重点研发计划中，专门研究了嵌入式传感技术。其中，他们设计了一种被动式的应力测量小传感器，能够有效地对极片间的应力进行测量。