超声波揭示隐藏的电池缺陷：一种新的诊断工具

安德鲁·科塞利

最近电池相关火灾的增加引起了人们对识别可能导致这些灾难性故障但肉眼很少明显的缺陷的挑战的关注。为了防止可能导致电池过热和着火的危险故障，德雷塞尔大学的研究人员开发了一种标准测试流程，以便制造商更好地了解电池的内部工作原理。

最近发表在《Electrochimica Acta》杂志上的一篇论文 ，该小组提出了使用超声波监测电池电化学和机械功能的方法，这将立即发现任何可能导致过热甚至导致“热失控”的损坏或缺陷。

“虽然锂离子电池的研究已近半个世纪，商业化也已超过 30 年，但我们直到最近才开发出能够以高分辨率观察内部结构的工具，”负责该项目的德雷克塞尔工程学院电池动力学实验室助理教授兼主要研究员 Wes Chang 博士说道。 “特别是，超声波在过去十年中才从地球物理学和生物医学等其他领域应用于电池诊断。由于它是电池和电动汽车行业的一项新技术，因此有必要向电池工程师传授其工作原理以及其用途。”

该团队最近的工作致力于通过展示一种低成本、易于使用的台式超声波工具来实现这一目标，希望电池工程师（包括那些在生产电动汽车的汽车公司工作的工程师）能够轻松实施和使用该工具。

这是独家技术简介 与 Chang 的访谈，为了篇幅和清晰度进行了编辑。

技术简介 ：您遇到的最大的技术挑战是什么？

张 ：我们一直在开发一种基于声波的电池诊断新技术。因此，它采用了生物医学领域通常使用的超声波来进行电池老化研究。对于你的问题，这始终是开发新方法的一个问题：电池科学家通常是化学家或材料科学家，而不是机械工程师。超声波是生物医学中常用的东西，也用于地球物理学，它实际上是一种机械探针。因此，对我来说最大的挑战是建立一个拥有机械设计和信号处理专业知识的团队，然后尝试利用这些技能来构建可以测量电池化学成分的东西。这是一项非常跨学科的工作。

最终，您将拥有一个测量弹性模量和密度的工具，这与电池老化和电池性能相关。接下来的挑战是让这项技术变得用户友好且易于电池科学家理解。

技术简介 ：您对于进一步的研究、工作等方面有什么既定的计划吗？如果没有，您的下一步是什么？离开这里你要去哪里？

张 ：我们确实为接下来的工作制定了计划。目前的方法是一维或二维技术。 1D 指的是扫描击球手的中心；您通过电池的中心发送声波，并且当您循环使用电池时，该声波会改变形状。它改变形状的方式与弹性模量和密度的变化相关。

您只需扫描电极即可在 2D 中执行相同的操作，从而获得电池的图像。因此，它不仅可以告诉您事情发生的时间，还可以告诉您事情发生的地点。因此，3D 不仅指的是扫描电池的能力，还指的是逐层分辨率的能力。这是指几何形状。

所以，从外面看，电池看起来非常简单。它就像一个袋子或类似圆柱体的东西。但其内部有多层电极堆叠在一起。如果您看到二维发生变化，通常会将其归因于某个区域。但问题是，这是一种缺陷还是一种可能的故障模式。它是通过每个电极发生还是发生在一个特定电极上？这就是 3D 试图达到的目标。您可以想象这是相当具有挑战性的，因为它要求我们弄清楚如何将该波形分解为各个组成部分，例如它如何与每个层交互。

因此，下一步，我们正在做的是构建更好的算法，使我们能够将波形分解为每一层的效果。这就是我们获得 3D 分辨率的原因。我们认为这是可能的，因为这已经是 X 射线所具有的功能。而且，在生物医学领域的某些情况下，他们已经能够获得 3D 版本。它绝对处于超声波技术的最前沿，但这正是我们想要达到的目标。

技术简介 ：还有什么我没有提到的你想补充的吗？

张 ：我想强调的是，即使在我还是博士的时候，电池超声波就已经存在了。学生——我们正在我以前的实验室里开发它。因此，实际上，这里的重点是为电池科学家提供一个易于使用的相对较新的工具。我只是想强调，主要成果基本上是我们在电池初创公司 SES AI 的研发基地构建了这个平台；我们能够培训他们的一名工程师每天使用它。对我来说，这是我们工作中最富有成效和最激励人心的方面——看到它直接转化为行业使用。因此，它不仅与 SES 无关，而且我们还在与其他初创公司和一些大型汽车制造公司进行交谈，他们要么已经拥有超声波工具，要么正在寻求获得一种工具。我们正在与他们交谈，以帮助他们更好地了解该工具，并使其更像任何研发实验室和行业都具有的电池即插即用功能。