超声检测技术在锂离子电池健康状态检测上的应用为锂离子电池健康检测提供了一种快速、低成本并能原位进行的无损检测方法。然而，当前的超声检测锂离子电池健康状态的研究多仍处于研究在输入特定频率的脉冲波信号下，锂离子电池在不同健康状态所产生的外部输出信号的变化，而较少对超声波在电池内部传播机理的分析。

而在不同时间、不同地方进行的超声检测试验，测得的信号强度会受到所选择的探头质量、电池表面粗糙度、探头和电池距离，耦合剂使用质量等一系列因素影响，因此目前采用的外部超声检测手段则对检测条件有着较为严格的要求。这使得当下研究所使用的外部超声信号分析方法无法得到稳定而适用性强的数据支持，而限制了其在工程实际中的应用。

近期，国际能源类著名期刊《Journal of Power Sources》在线发表了一篇文章，从锂离子电池的内部结构层面阐明超声波在锂离子电池中的传播机理，提出了一种新的基于锂离子电池内部超声阻尼的荷电状态检测方法，突破了常规超声研究局限于外部检测的现状，为锂离子电池安全检测提供新的参数和方法。文章第一作者是宁波工程学院孟康培副教授，宁波工程学院的陈晓平教授为通讯作者。

该研究的对象为一个3.8Ah的三元锂离子软包电池，将电池充电到一定的荷电状态，分两次使用中心频率分别是1MH和2.5MHz的两对接触式探头录0.5MHz到3.5MHz的简谐波扫频结果。对记录的超声信号强度进行无量纲化处理之后，不同荷电状态下的信号强度随频率的变化形式如图1所示。

图1 不同荷电状态下超声信号强度的无量纲化结果

从图中我们可以看到四个变化规律：

(1) 随着电池荷电状态（SOC）的增加，信号强度逐渐增加；

(2) 随着输入波频率的增加，信号强度的变化呈现出周期性的波动；

(3) 信号强度随着输入波频率的增加，在周期性波动之外也呈现出一个逐渐减小的趋势；

(4) 随着电池SOC的增加，信号强度的峰值频率有些微小的向左偏移，即峰值频率略有减小。

为了解释这些变化发生的原因，基于锂离子电池的内部结构形式，从细观机理上分析了超声波穿过锂离子电池的传播过程。整个过程可以分为如图2所示的三个部分。

图2 不同荷电状态下超声信号强度的无量纲化结果

首先，当超声波从激发端的超声探头产生，穿过软包电池的表面时会受到表面粗糙度，耦合剂质量等因素的影响而产生超声波的耗散，这部分被称为表面耗散；

其次，在锂离子电池内部，正负极与隔膜的周期性排布会导致特定频率的波无衰减通过或者无法通过的现象，即波禁带效应，这部分由于周期性结构排布导致的效应被称为层间耗散；

最后，正负极的活性层本身就是多孔结构，在超声波在穿过时会发生很强的散射效应，这可以当作是活性层的材料阻尼，这部分超声波的能量耗散被称为阻尼耗散。

为了验证上述分析是否成立并量化各部分耗散的程度，该研究基于波动力学方程和全局矩阵方法建立了一个超声波在无阻尼状态下传播的层合解析模型。模型中各组分的厚度通过XCT扫描的结果计算得到，而各组分的力学性能通过文献中的材料力学试验得到。

图3 无阻尼状态下超声波在锂离子电池内部传播的解析模型

在解析模型的左端施加不同频率的简谐波，提取右端得到的输出波信号强度，即可得到无阻尼状态下锂离子电池内部组分周期性排布产生的超声波层间透射率，结果如图4所示。

图4 无阻尼状态下超声波传播解析模型的层间透射率

我们将图4中的解析结果和图1处理后的试验结果进行对比，图1中的波峰与波峰之间的平均间距是0.92MHz，而图4中解析结果的波峰间距是0.91 MHz。随着电池SOC的增加，图1中的波峰间距从0.92MHz逐渐到0.91MHz，而图4中解析结果的波峰间距从0.91MHz逐渐减小到0.90MHz。因此，可以说解析模型的结果和试验的结果非常吻合，这验证了解析模型的有效性，说明解析模型计算出的超声波层间透射率能恰当地反应超声波在锂离子电池内部传播的层间透射率。不同的是，由于没有阻尼耗散，层间透射率随着输入波频率的增加，并没有明显的衰减趋势。

到此，我们总结一下，超声检测记录到的输出信号幅值|Vout|，和输入信号幅值|Vin|的关系可以总结为：

(1)式中：fs是超声波表面耗散后的透射率；fg是周期性结构导致的层间耗散透射率；fd是超声波阻尼耗散的透射率。

fs受电池表面粗糙度、耦合剂质量和探头与电池接触压力等外部因素影响；而fg和fd不受外部因素影响，只和电池内部的电化学性质有关。fg可以通过计算解析模型计算得到。

如果将图1中的试验结果与图4中的解析结果进行组合，计算fg·fd，结果如图5(a)所示。随着输入波频率的增加，fg·fd呈现出逐渐衰减的趋势。对这个衰减的趋势进行指数化拟合：

(2)即可得到一个衰减指数α。α随锂离子电池SOC的变化趋势如图5(b)，可以用一条直线进行拟合。α同样不受外界因素影响，只和锂离子电池内部的电化学变化相关，且和锂电池荷电状态呈线性变化关系。那么，α就是我们找到的一个满足我们期待的新参数。

图5 无阻尼状态下超声波传播解析模型的层间透射率

最后，我们重新梳理一下得到α这个新参数的过程。

第一步，我们组合了两对探头的试验结果，得到了一个较宽范围的简谐波扫频测试结果。对不同SOC下的结果进行无量纲化之后，我们得到了无量纲信号强度随收入波频率变化的震荡衰减趋势。

第二步，结合锂离子电池内部的细观结构和排布方式，我们将超声波通过锂离子电池传播中的衰减过程分为电池表面上的表面耗散、各组分周期性排布导致的层间耗散和正负极活性层超声阻尼导致的阻尼耗散。

第三步，根据文献中的各组分的力学性能测试结果，以及X射线CT扫描出的各组分厚度尺寸，基于波动方程和全局矩阵方法，建立无阻尼状态下超声波在锂离子电池层合结构中传播的解析模型，并计算超声波的层间透射率fg。

第四步，根据试验结果和解析结果，计算新参数fs·fd，之后用一个指数化衰减的方程进行拟合，得到衰减系数α。最后，线性拟合衰减系数α和电池SOC的关系。

图6 阻尼衰减系数检测锂离子电池SOC的方法

结论

从超声波在锂离子电池中的传播机理出发，阐明了超声波传播中的衰减过程，最后提出了一个新的只与锂离子电池内部电化学性质变化相关的阻尼参数，用来检测锂离子电池的荷电状态。该研究工作为锂离子电池的状态检测提供了一种新的思路，可以与TOF(传播时间)和信号幅值结合，扩展到锂离子电池健康状态的检测以及锂枝晶生长的检测。

来源： 汽车能源与安全实验室VESL

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.232003