锂电池无损检测新手段之超声波扫描显微镜

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锂电池无损检测新手段之超声波扫描显微镜

随着社会的发展和科技的进步，能源紧缺和环境污染日益严重，人类对于新能源的需求越来越强烈，作为能量大、寿命长的新型锂电池被广泛用于各个领域。虽然锂电池具有出色的优势，但是容易燃烧、爆炸的安全隐患也不容忽视，所以超声波扫描显微镜对锂电池安全性能的检测显得至关重要。与锂电池破坏性拆解检测相比，超声波扫描显微镜可以提供非接触、无损、无污染、精准检测，对锂电池内部气泡、电解质不均匀的缺陷准确测量分析。锂电池在能量密度、循环寿命、能量效率等方面的综合优势，使其成为应用最为广泛的性能源器件，但是锂电池性能的进一步提升离不开先进表征技术的推动，超声波扫描显微镜作为无损检测手段，能够对锂电池有效实现内部气体检测、电解液浸润检测、电池析锂检测、电池荷电状态检测、电池寿命预测等。
在超声波扫描显微镜无损检测中，超声波探头用于发射和接收超声波信号，实现对锂电池的非接触无损检测，所以超声波探头的性能是影响锂电池检测效果的关键因素。由于超声波探头的规格丰富，多种多样，性能方面也存在较大差异，需要根据锂电池的具体情况和检测需求，选用合适的超声波探头，有效发挥超声波扫描显微镜对锂电池的检测性能。超声波扫描显微镜对锂电池的检测能力，很大程度上取决于超声波探头的频率，超声波频率越高，波长越长，能量越集中，探测灵敏度越高，横向分辨率越高，但是超声波信号衰减也越快，穿透力大大降低。由于锂电池内部结构复杂，密度不均匀，空隙多，更像异性，使得超声波在锂电池内部传播性较差，所以超声波扫描显微镜往往选择较低频率的探头实现锂电池的有效检测。
超声波扫描显微镜作为无损检测手段之一，最早的超声波检测研究始于1930年，利用超声波对材料表面和内部缺陷进行检测。与其他检测手段相比，超声波扫描显微镜具有应用范围广、检测深度大、缺陷定位准、灵敏度高、无害无污染、检测成本低等优势，超声波属于声波，也是机械波，能够在被测材料/器件内部周期性传播。超声波扫描显微镜探头采用压电材料，当对探头压电材料施加电压时，探头会随着电压的正负和大小产生相应的机械震动，并发射超声波，反之亦然，探头也会随着接收到的超声波强度和周期产生相应的电压输出信号。
作为密闭的电化学体系，锂电池内部严禁测在气体，因为内部存在的气体不仅会造成锂电池容量损失，而且会造成温度不均进而缩短锂电池寿命。为了避免锂电池实际生产中引入部分气体，提高锂电池的性能、寿命和安全性，非常有必要采用超声波扫描显微镜，对锂电池内部气体进行有效检测，改善生产工艺，提高电池质量。超声波扫描显微镜，能够对锂电池内部微米级气体的存在实现有效检测，进而实现锂电池的良率筛选和质量控制。
化成作为锂电池生产过程中的关键工艺，能够在高温和小电流下，形成稳定的固态电解质膜（solid electrolyte interface,SEI），进而防止溶剂分子对电极材料的破坏，提高电极材料的循环性能和使用寿命，所以化成质量会直接影响锂电池的首次效率、循环使用寿命、热稳定性和安全性能。为了提高锂电池的化成质量，使电解液在锂电池内均匀扩散并充分浸润活性材料和成膜，必须采用有效手段对锂电池电解液浸润过程进行有效监测，而超声波扫描显微镜正好适用于该应用。因为电解液浸润在负压环境下进行，未浸润的区域将是真空环境，而超声波无法穿透真空，所以超声波扫描显微镜非常适合对锂电池的电解液浸润过程和质量进行有效监测。
锂离子在负极表面堆积并被还原为锂金属单质的现象被称为析锂，析出的锂能同电解液反应而消耗活性锂离子及电解液，导致锂电池容量的衰减，并且析出的锂以枝晶形式生长的话还有可能刺穿隔膜而导致短路起火风险。在不拆解电池的情况下，对锂离子电池进行无损析锂检测是科研生产和学术研究不断追求的目标，超声波扫描显微镜的成功应用为锂离子电池析锂研究提供了可靠支撑。锂电池析锂后同电解液的反应会产生气体，而超声波扫描显微镜检测析锂的本质就是检测析锂产生的气体，从而实现对锂离子电池析锂现象的无损检测。借助超声波扫描显微镜，可以对锂离子电池析锂的初始部位进行定位，为电池结构设计提供参考依据，有助于研发对锂电池析锂现象的有效抑制。
电池荷电状态（SOC），又称剩余电量，是电池当前剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，用百分数表示。SOC是锂电池的重要指标，而精确测量推断锂电池的SOC却十分困难。为了对锂离子电池的SOC进行测量评估，超声波扫描显微镜被引入应用，因为不同SOC下锂电池的密度、内应力、厚度等物理参数会相应的发生变化，而超声波扫描显微镜能够穿透锂电池并对其密度、厚度等参数机型测量。随着锂电池SOC的变化，超声波扫描显微镜信号幅值和到达时间会相应的发生变化，根据这一特性，可以实现超声波扫描显微镜对锂电池SOC的反向推断。通过超声波扫描显微镜测量不同SOC下锂电池的透射信号波形，发现透射超声波信号的衰减幅度随SOC的增加而减小，超声信号的峰峰值、电压、电流同锂电池的SOC具有稳定的线性变化关系。
随着锂电池的放置时间和循环圈数的增加，最终电池的性能无法满足设计需求，锂电池的寿命也就终结了。对锂电池寿命衰减过程的研究有助于提高电池的使用效率和安全。通过对锂电池大量数据的研究和建模，借助超声波扫描显微镜检测SEI膜、活性材料、界面粗糙度等特性的检测，从而实现对锂电池的寿命及健康状态进行研究预估。锂电池在循环过程中会发生一些不可逆过程，其物理特性的变化相较于电化学反应会更为剧烈，而超声波扫描显微镜可以为锂电池寿命预测提供更为准确的参考依据，大大缩短锂电池研发、验收及全生命周期管理的实验周期。
虽然超声波扫描显微镜在锂电池领域的设备成熟度、测量精度、理论建立等方面还存在诸多不足，但在锂电池发展过程中，超声波扫描显微镜随着科学技术的更新发展，必定会受到越来越多科研工作者的重视，超声波扫描显微镜在锂电池领域的应用势在必行。

超声波扫描显微镜常见检测方法

超声波扫描显微镜对锂离子电池放电过程的扫描检测图像