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華中科技大學(xué)黃云輝團隊研發(fā)了鋰離子電池超聲掃描系統(tǒng)

鉅大LARGE  |  點擊量:2282次  |  2020年05月09日  

起火、燃燒、爆炸……隨著新能源汽車保有量的增加,與動力電池相關(guān)的安全事故似乎越來越多。


“這些年,因為過充、過熱、機械損傷等問題,電動汽車的安全事故時有發(fā)生。”在近日愛思唯爾在線組織的能源前沿論壇上,華中科技大學(xué)教授黃云輝說。


新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟曾發(fā)布的《新能源汽車國家監(jiān)管平臺大數(shù)據(jù)安全監(jiān)管成果報告》顯示,僅去年5月至7月,就發(fā)生了79起自燃安全事故,平均每一天半就有一起事故發(fā)生。


黃云輝介紹,目前,車用動力電池以三元鋰電池磷酸鐵鋰電池為主,市場集中度極高,但動力電池在高能量密度、高安全、長壽命、低成本方面均面臨挑戰(zhàn)。


于是,如何以科技手段確保電池安全,成為黃云輝關(guān)注的問題。“鋰離子電池的安全性是其在電動汽車和規(guī)模儲能領(lǐng)域應(yīng)用中最重要的性能指標(biāo),特別是對高能量密度的電池來說。”黃云輝說。


在他看來,電池安全問題出現(xiàn)的主要原因是電池的熱失控和安全性失效,因此,在設(shè)計高能量密度和高安全電池時,需要有一些面向電池材料、電芯、模組及系統(tǒng)等的研發(fā)策略,其中之一就是要想辦法對電池的健康狀態(tài)(SOH)和荷電狀態(tài)(SOC)進行準(zhǔn)確監(jiān)測,以確保電池包中的各個電池在適宜的溫度和電壓范圍內(nèi)工作,并能夠?qū)Ξ惓k姵丶捌錉顟B(tài)作出預(yù)警和切實響應(yīng)。


近年來,黃云輝帶領(lǐng)科研團隊在研發(fā)無枝晶的高容量金屬鋰負(fù)極、超薄的柔性聚合物固態(tài)電解質(zhì)以及面向固態(tài)電池的關(guān)鍵電極材料的同時,研發(fā)出了鋰離子電池超聲掃描系統(tǒng)。


“這就像是給電池做‘B超’。”黃云輝表示,“以往,‘B超’都是利用超聲掃描觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu),如今我們可以通過超聲掃描檢測電池的內(nèi)部狀態(tài)。這個技術(shù)準(zhǔn)確地講,是通常使用的‘B超’的升級版——‘C超’技術(shù)。”


基于超聲技術(shù),超聲掃描設(shè)備系統(tǒng)通過可視化技術(shù),可以在靜態(tài)或在線情況下無損地直接透視電池內(nèi)部,直觀觀察到電池內(nèi)部的缺陷及氣體和液體分布。同時,該系統(tǒng)還可以利用超聲阻抗的改變,檢測電極材料脫嵌鋰及固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜)生長情況,快速診斷并發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部微量產(chǎn)氣,監(jiān)測判斷電池使用過程中的健康狀態(tài)。


黃云輝介紹,電池超聲掃描設(shè)備與X射線檢測技術(shù)有很強的互補性,可以解決許多X射線不能解決的問題。比如可以利用超聲波在電解液浸潤不良區(qū)域透射率低的特性,檢測電解液浸潤情況;通過對電池內(nèi)部微升級氣體檢測,評價電解液穩(wěn)定性、三元材料包覆層有效性、析鋰極限工況等各類SOH指標(biāo);通過觀察電池故障伴隨的超聲特征值的急劇變化,及早剔除故障電芯,避免嚴(yán)重的安全事故;通過電池循環(huán)過程中超聲信號的衰減變化預(yù)測電池的循環(huán)壽命;此外,設(shè)備還可以檢測電池的荷電狀態(tài),對電池SOC估算精度的誤差在1%——3%,遠好于常規(guī)手段。


2015年,在國家自然科學(xué)基金委的項目支持下,黃云輝及其團隊開始了對電池超聲掃描分析技術(shù)的基礎(chǔ)研究,將超聲信號和電池的電化學(xué)信號結(jié)合起來。2017年起,他們在華中科技大學(xué)無錫研究院開展自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)開發(fā),成功研制了適用于不同場景的電池超聲掃描儀系列產(chǎn)品,成為國際上最早的鋰電池超聲無損智能診斷系統(tǒng)。


對于該類電池超聲掃描儀,特斯拉電池項目研究主席杰夫·達恩在使用后評價道:“我們已經(jīng)用它來研究電解液浸潤、電解液穩(wěn)定性以及老化電池中電解液的損耗,我們認(rèn)為它還可以被用于研究電池內(nèi)電解液極化過程,這方面實驗已經(jīng)開始,還可以想象用這臺優(yōu)秀的儀器完成許多其它實驗。該設(shè)備的軟件也很好用,一個小時的培訓(xùn)即可輕松掌握。”


黃云輝表示,目前電池超聲掃描技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)服務(wù)于華為、特斯拉、寧德新能源等十余家鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè),解決了許多技術(shù)難題,并將不斷完善,以發(fā)揮更大作用。


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