引言
鋰離子電池憑借高能量密度、長循環(huán)壽命及無記憶效應等核心優(yōu)勢，已深度滲透至新能源汽車、儲能系統(tǒng)及便攜式電子設備等關鍵領域。然而在實際服役過程中，電池面臨容量衰減、安全隱患等系列難題，其根源在于電池內部復雜的物理化學演變過程。為精準解析電池失效機制，有效提升電池性能與安全性，原位無損檢測技術應運而生，成為當前鋰離子電池研究領域的前沿關鍵技術。
原位無損檢測技術概述
原位無損檢測技術是一種在不破壞電池結構完整性與正常工作狀態(tài)的前提下，實時監(jiān)測電池內部物理化學參數(shù)動態(tài)變化，從而獲取電池內部狀態(tài)信息的先進技術手段。相較于傳統(tǒng)破壞性檢測方法，該技術能夠真實反映電池在實際工況下的性能演變規(guī)律，避免因拆解電池導致的內部狀態(tài)改變，為深入研究電池失效機制提供了重要技術支撐。
常見原位無損檢測技術
超聲檢測技術
原理
超聲檢測技術基于超聲波在不同介質中傳播時，其聲速、振幅和相位等特性會發(fā)生改變的基本原理，實現(xiàn)對電池內部狀態(tài)的精準檢測。當超聲波穿透電池時，若內部存在產(chǎn)氣、析鋰、電解液干涸等缺陷，超聲波與缺陷相互作用會導致其傳播特性發(fā)生顯著變化。通過對接收端采集的超聲波信號進行專業(yè)分析，即可推斷電池內部結構和狀態(tài)信息。例如，當電池內部出現(xiàn)產(chǎn)氣現(xiàn)象時，由于氣體與其他介質存在較大聲阻抗差異，超聲波在氣 - 固或氣 - 液界面會發(fā)生強烈反射和散射，致使接收端信號強度減弱、傳播時間延長。
應用實例
華中科技大學黃云輝和沈越教授團隊自主研發(fā)的鋰離子電池超聲掃描成像設備，已在動力與儲能電池領域得到廣泛應用。該設備采用高頻超聲透射技術，發(fā)射端探頭發(fā)射聚焦聲束穿透電池，接收端探頭采集信號并進行深度處理分析，成像精度可達亞毫米級。借助該設備，研究團隊成功觀測到電池 “退浸潤” 現(xiàn)象：電池在循環(huán)過程中，電極膨脹導致材料孔隙增大，電解液無法充分浸潤電極材料，進而嚴重影響電池性能，甚至引發(fā)更嚴重的失效反應。此前，受電池封閉結構限制，其內部浸潤狀態(tài)難以直接觀測，而超聲檢測技術實現(xiàn)了對浸潤狀態(tài)演變的無損、實時、原位監(jiān)測，為電池失效機制研究提供了關鍵數(shù)據(jù)。
優(yōu)勢與局限性
超聲檢測技術具備操作簡便、檢測效率高、對氣體和結構變化敏感等顯著優(yōu)勢，能夠直觀呈現(xiàn)電池內部產(chǎn)氣、析鋰等缺陷，并通過超聲成像圖實時顯示缺陷位置和形態(tài)特征。但該技術也存在一定局限性，如對微小結構變化分辨率不足，在檢測多層復雜結構電池時，信號分析難度較大。
磁場無損檢測技術
原理
磁場無損檢測技術主要依托核磁共振（NMR）、磁共振成像（MRI）和磁場成像（MFI）等技術。NMR 通過檢測原子核在磁場中的共振信號，分析電池材料中鋰離子的分布、擴散及界面反應情況；MRI 能夠實現(xiàn)鋰離子電池內部結構的三維成像，清晰展示鋰離子分布和動態(tài)遷移過程；MFI 作為低成本商業(yè)化檢測技術，通過檢測電流產(chǎn)生的磁場，重構電池內部電流分布，分析制造缺陷與性能不均問題。以 NMR 為例，在外部磁場作用下，電池材料中鋰離子核發(fā)生能級分裂，施加特定頻率射頻脈沖后，鋰離子核吸收能量發(fā)生共振躍遷，通過檢測共振信號的頻率、強度和弛豫時間等參數(shù)，可獲取鋰離子相關信息。
應用實例
在鋰離子電池負極材料研究中，磁場檢測技術發(fā)揮了重要作用。針對石墨負極，通過 NMR 和 MRI 技術聯(lián)用，可實時可視化鋰離子在石墨中的嵌入和脫嵌過程，深入研究其擴散行為和相變規(guī)律，為提升快充性能提供理論依據(jù)。在硅負極研究方面，核磁技術揭示了快速充電條件下硅負極的結構演變及鋰硅合金形成機理，為硅材料優(yōu)化提供關鍵數(shù)據(jù)支撐。在正極材料研究中，如鈷酸鋰（LCO），核磁技術可監(jiān)測鋰離子嵌入和提取過程，揭示 LCO 在高電壓下的結構變化，為提升其能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性提供重要參考。
優(yōu)勢與局限性
磁場無損檢測技術能夠深入解析電池材料微觀結構和離子傳輸行為，為電池材料優(yōu)化設計提供有力工具。MRI 的三維成像功能可直觀呈現(xiàn)電池內部結構和離子分布，助力理解復雜物理化學過程。但該技術存在設備復雜、成本高昂、檢測環(huán)境要求苛刻等問題，限制了其大規(guī)模應用。
其他原位無損檢測技術
除超聲和磁場無損檢測技術外，還有多種檢測技術應用于鋰離子電池研究。例如，X 射線計算機斷層掃描（X - CT）技術可實現(xiàn)電池內部結構的高分辨率三維成像，清晰展示電極、電解液和隔膜等組件的結構形態(tài)變化，檢測內部異物、裂縫等缺陷。然而，X - CT 設備價格昂貴、檢測周期長，對操作人員專業(yè)水平要求較高。此外，基于光學原理的原位顯微鏡技術，如共聚焦顯微鏡、拉曼顯微鏡等，可實時觀測電池電極表面微觀結構和化學反應，獲取電極表面成分、結構和應力等信息，但檢測范圍有限，通常僅適用于局部區(qū)域檢測。
原位無損檢測技術的應用與挑戰(zhàn)
在電池研發(fā)中的應用
原位無損檢測技術在鋰離子電池研發(fā)進程中發(fā)揮著核心作用。通過實時監(jiān)測電池在不同充放電工況下的內部狀態(tài)變化，研究人員能夠深入理解電池材料性能和反應機制，進而針對性優(yōu)化材料設計和制備工藝。例如，在新型正極材料研發(fā)中，利用磁場無損檢測技術監(jiān)測鋰離子嵌入和脫嵌過程，依據(jù)檢測結果調整材料晶體結構和化學成分，提升正極材料能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。在負極材料研究中，借助超聲檢測技術觀察材料充放電過程中的膨脹收縮情況，優(yōu)化材料顆粒形態(tài)和粒徑分布，改善負極材料循環(huán)壽命。
在電池生產(chǎn)質量控制中的應用
在鋰離子電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)，原位無損檢測技術可用于產(chǎn)品質量檢測與過程監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)缺陷，提高產(chǎn)品良品率。例如，采用超聲檢測技術檢測電池內部電解液浸潤情況，確保電解液均勻分布，避免因浸潤不良導致電池性能下降；利用磁場成像技術檢測電池內部電流分布，排查短路、斷路等制造缺陷，保障電池安全性和一致性。
面臨的挑戰(zhàn)
盡管原位無損檢測技術已取得顯著進展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，現(xiàn)有技術在檢測精度、分辨率和檢測速度等方面難以完全滿足實際需求，對于早期鋰枝晶生長、細微電極裂縫等微小缺陷，部分檢測技術存在漏檢風險。另一方面，不同檢測技術間的兼容性和互補性有待提升，單一技術難以全面反映電池內部復雜狀態(tài)，而多技術聯(lián)用存在數(shù)據(jù)融合和分析難度大的問題。此外，原位無損檢測設備成本高昂，限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的推廣應用。
結論與展望
原位無損檢測技術為鋰離子電池研究與應用提供了強有力的技術支撐，能夠深入揭示電池內部物理化學過程，為提升電池性能和安全性奠定基礎。目前，超聲、磁場等多種檢測技術已取得一定應用成果，但在檢測精度、技術集成和成本控制等方面仍需突破。未來，隨著材料科學、物理學和信息技術等多學科交叉融合，原位無損檢測技術有望在以下方向取得進展：一是進一步提升檢測精度和分辨率，實現(xiàn)微小結構變化和早期故障的精準檢測；二是加強多技術集成創(chuàng)新，開發(fā)多模態(tài)檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)電池內部狀態(tài)全面監(jiān)測；三是降低設備成本，提高技術實用性和擴展性，推動其在大規(guī)模生產(chǎn)中的廣泛應用。隨著技術的不斷發(fā)展完善，原位無損檢測技術將為鋰離子電池技術進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新動能，助力新能源領域可持續(xù)發(fā)展。
免責聲明：該文章系我網(wǎng)轉載，旨在為讀者提供更多新聞資訊。所涉內容不構成投資、消費建議，僅供讀者參考。如果有侵權請聯(lián)系刪除。
地址：上海市嘉定區(qū)永盛路1218號仁豐金元大廈1205室
電話：(021) 5915 8515或 13761118001
Q Q：1105686531
郵箱：1105686531@gg.com
