超聲阻尼：鋰離子電池荷電狀態(tài)無損檢測新方法

2022-11-03 18:28 ·四川 ·四川省特種設備安全管理協(xié)會

超聲檢測技術在鋰離子電池健康狀態(tài)檢測上的應用為鋰離子電池健康檢測提供了一種快速、低成本并能原位進行的無損檢測方法。然而，當前的超聲檢測鋰離子電池健康狀態(tài)的研究多仍處于研究在輸入特定頻率的脈沖波信號下，鋰離子電池在不同健康狀態(tài)所產(chǎn)生的外部輸出信號的變化，而較少對超聲波在電池內(nèi)部傳播機理的分析。

而在不同時間、不同地方進行的超聲檢測試驗，測得的信號強度會受到所選擇的探頭質(zhì)量、電池表面粗糙度、探頭和電池距離，耦合劑使用質(zhì)量等一系列因素影響，因此目前采用的外部超聲檢測手段則對檢測條件有著較為嚴格的要求。這使得當下研究所使用的外部超聲信號分析方法無法得到穩(wěn)定而適用性強的數(shù)據(jù)支持，而限制了其在工程實際中的應用。

近期，國際能源類著名期刊《Journal of Power Sources》在線發(fā)表了一篇文章，從鋰離子電池的內(nèi)部結構層面闡明超聲波在鋰離子電池中的傳播機理，提出了一種新的基于鋰離子電池內(nèi)部超聲阻尼的荷電狀態(tài)檢測方法，突破了常規(guī)超聲研究局限于外部檢測的現(xiàn)狀，為鋰離子電池安全檢測提供新的參數(shù)和方法。文章第一作者是寧波工程學院孟康培副教授，寧波工程學院的陳曉平教授為通訊作者。

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該研究的對象為一個3.8Ah的三元鋰離子軟包電池，將電池充電到一定的荷電狀態(tài)，分兩次使用中心頻率分別是1MH和2.5MHz的兩對接觸式探頭錄0.5MHz到3.5MHz的簡諧波掃頻結果。對記錄的超聲信號強度進行無量綱化處理之后，不同荷電狀態(tài)下的信號強度隨頻率的變化形式如圖1所示。

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圖1 不同荷電狀態(tài)下超聲信號強度的無量綱化結果

從圖中我們可以看到四個變化規(guī)律：

(1) 隨著電池荷電狀態(tài)（SOC）的增加，信號強度逐漸增加；

(2) 隨著輸入波頻率的增加，信號強度的變化呈現(xiàn)出周期性的波動；

(3) 信號強度隨著輸入波頻率的增加，在周期性波動之外也呈現(xiàn)出一個逐漸減小的趨勢；

(4) 隨著電池SOC的增加，信號強度的峰值頻率有些微小的向左偏移，即峰值頻率略有減小。

為了解釋這些變化發(fā)生的原因，基于鋰離子電池的內(nèi)部結構形式，從細觀機理上分析了超聲波穿過鋰離子電池的傳播過程。整個過程可以分為如圖2所示的三個部分。

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圖2 不同荷電狀態(tài)下超聲信號強度的無量綱化結果

首先，當超聲波從激發(fā)端的超聲探頭產(chǎn)生，穿過軟包電池的表面時會受到表面粗糙度，耦合劑質(zhì)量等因素的影響而產(chǎn)生超聲波的耗散，這部分被稱為表面耗散；

其次，在鋰離子電池內(nèi)部，正負極與隔膜的周期性排布會導致特定頻率的波無衰減通過或者無法通過的現(xiàn)象，即波禁帶效應，這部分由于周期性結構排布導致的效應被稱為層間耗散；

最后，正負極的活性層本身就是多孔結構，在超聲波在穿過時會發(fā)生很強的散射效應，這可以當作是活性層的材料阻尼，這部分超聲波的能量耗散被稱為阻尼耗散。

為了驗證上述分析是否成立并量化各部分耗散的程度，該研究基于波動力學方程和全局矩陣方法建立了一個超聲波在無阻尼狀態(tài)下傳播的層合解析模型。模型中各組分的厚度通過XCT掃描的結果計算得到，而各組分的力學性能通過文獻中的材料力學試驗得到。

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圖3 無阻尼狀態(tài)下超聲波在鋰離子電池內(nèi)部傳播的解析模型

在解析模型的左端施加不同頻率的簡諧波，提取右端得到的輸出波信號強度，即可得到無阻尼狀態(tài)下鋰離子電池內(nèi)部組分周期性排布產(chǎn)生的超聲波層間透射率，結果如圖4所示。

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圖4 無阻尼狀態(tài)下超聲波傳播解析模型的層間透射率

我們將圖4中的解析結果和圖1處理后的試驗結果進行對比，圖1中的波峰與波峰之間的平均間距是0.92MHz，而圖4中解析結果的波峰間距是0.91 MHz。隨著電池SOC的增加，圖1中的波峰間距從0.92MHz逐漸到0.91MHz，而圖4中解析結果的波峰間距從0.91MHz逐漸減小到0.90MHz。因此，可以說解析模型的結果和試驗的結果非常吻合，這驗證了解析模型的有效性，說明解析模型計算出的超聲波層間透射率能恰當?shù)胤磻暡ㄔ阡囯x子電池內(nèi)部傳播的層間透射率。不同的是，由于沒有阻尼耗散，層間透射率隨著輸入波頻率的增加，并沒有明顯的衰減趨勢。

到此，我們總結一下，超聲檢測記錄到的輸出信號幅值|Vout|，和輸入信號幅值|Vin|的關系可以總結為：

|Vout|=|Vin|·fs·fg·fd

式中：f s 是超聲波表面耗散后的透射率；f g 是周期性結構導致的層間耗散透射率；f d 是超聲波阻尼耗散的透射率。

f s 受電池表面粗糙度、耦合劑質(zhì)量和探頭與電池接觸壓力等外部因素影響；而f g 和f d 不受外部因素影響，只和電池內(nèi)部的電化學性質(zhì)有關。f g 可以通過計算解析模型計算得到。

如果將圖1中的試驗結果與圖4中的解析結果進行組合，計算f g ·f d ，結果如圖5(a)所示。隨著輸入波頻率的增加，f g ·f d 呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢。對這個衰減的趨勢進行指數(shù)化擬合：

fs ·fd=A·e-αω

(2)

即可得到一個衰減指數(shù)α。α隨鋰離子電池SOC的變化趨勢如圖5(b)，可以用一條直線進行擬合。α同樣不受外界因素影響，只和鋰離子電池內(nèi)部的電化學變化相關，且和鋰電池荷電狀態(tài)呈線性變化關系。那么，α就是我們找到的一個滿足我們期待的新參數(shù)。

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圖5 無阻尼狀態(tài)下超聲波傳播解析模型的層間透射率

最后，我們重新梳理一下得到α這個新參數(shù)的過程。

第一步，我們組合了兩對探頭的試驗結果，得到了一個較寬范圍的簡諧波掃頻測試結果。對不同SOC下的結果進行無量綱化之后，我們得到了無量綱信號強度隨收入波頻率變化的震蕩衰減趨勢。

第二步，結合鋰離子電池內(nèi)部的細觀結構和排布方式，我們將超聲波通過鋰離子電池傳播中的衰減過程分為電池表面上的表面耗散、各組分周期性排布導致的層間耗散和正負極活性層超聲阻尼導致的阻尼耗散。

第三步，根據(jù)文獻中的各組分的力學性能測試結果，以及X射線CT掃描出的各組分厚度尺寸，基于波動方程和全局矩陣方法，建立無阻尼狀態(tài)下超聲波在鋰離子電池層合結構中傳播的解析模型，并計算超聲波的層間透射率fg。

第四步，根據(jù)試驗結果和解析結果，計算新參數(shù)fs·fd，之后用一個指數(shù)化衰減的方程進行擬合，得到衰減系數(shù)α。最后，線性擬合衰減系數(shù)α和電池SOC的關系。

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圖6 阻尼衰減系數(shù)檢測鋰離子電池SOC的方法

結論

從超聲波在鋰離子電池中的傳播機理出發(fā)，闡明了超聲波傳播中的衰減過程，最后提出了一個新的只與鋰離子電池內(nèi)部電化學性質(zhì)變化相關的阻尼參數(shù)，用來檢測鋰離子電池的荷電狀態(tài)。該研究工作為鋰離子電池的狀態(tài)檢測提供了一種新的思路，可以與TOF(傳播時間)和信號幅值結合，擴展到鋰離子電池健康狀態(tài)的檢測以及鋰枝晶生長的檢測。

來源： 汽車能源與安全實驗室VESL