受能源危機與環境危機的影響，開發綠色新能源成為決定世界經濟發展的重要技術領域之一。電化學儲能憑其可循環、高效、環保、低成本、同現有能源體系匹配性好等特點，被認為是解決這一問題的良好途徑。鋰離子二次電池作為一種穩定可靠的電化學儲能器件，被廣泛應用于消費電子產品、電網儲能、新能源汽車等領域，然而它在容量、倍率性能、循環壽命、安全性等方面的指標尚未完全滿足產業界的需求，因此有必要對其性能的限制因素和失效機制進行更深入的研究，進一步提高綜合電性能。
深入的機理分析離不開先進的表征技術。當前 針對鋰離子電池性能表征的技術手段可分為原位分析和拆解分析兩大類。一般來說， 可獲取豐富信息量的表征手段大多需要對電池進行拆解，但很多電池內部結構信息在拆解過程中會發生變化，所以亟需開發一種可對電池進行原位無損表征的手段，特別是多物理特性的實時測量方法，通過構效關系分析電池性能的影響因素。
超聲波檢測作為無損檢測的方法之一，最早開始于1930年，利用進入被檢材料的超聲波對材料表面或內部缺陷進行檢測。與其他檢測技術相比，超聲檢測技術具有檢測對象范圍廣、深度大、缺陷定位準確、靈敏度高、成本低、使用方便、速度快、對人體無害以及便于現場使用等特點。超聲波的本質是一種聲波，且歸于機械波，它是周期性的機械振動在介質中的傳播形式。當在壓電材料兩面的電極上加上電壓時，材料就會按照電壓的正負和大小，在厚度方向發生伸縮振動。利用這一性質，若加上高頻電壓，就會產生高頻伸縮現象。將這個伸縮振動設法加到被測電池上，電池表面質點也會隨之產生振動，從而產生聲波，聲波在電池內部傳遞并與電極材料相互作用，獲取電極材料的物理信息。如果采用相反的方式接收同電極材料作用后的超聲信號，觀察和測定其穿過材料后的聲速、衰減、共振頻率、二次諧波等特征信息，便可得知材料中晶粒度、彈性模量、硬度、內應力、界面強度、厚度等物理參數的變化。
超聲波通常為波長毫米數量級的機械波，具有良好的方向性，其能量與頻率的平方成正比，在固態和液態介質中傳播時，能量損失小，傳播距離大，穿透能力強，但在氣體中衰減系數極大且在固-氣、固-液界面會發生強烈的反射。借助超聲波的這些特性搭建相應的電池測試系統，能實現對電池的產氣現象、電解液浸潤狀況、析鋰分布、荷電狀態和健康狀態等內部結構特征信息的表征分析，為電池的設計、生產工藝參數的調整、新型電極材料的開發提供依據。
內容轉自 《儲能科學與技術》
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