2023电池无损检测监测方法分析.docx

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1、电池无损检测监测方法分析2023目录电池无损检测监测方法分析11常用电池无损检测监测方法41.1 传感器技术41.1.1 电压传感器41.1.2 温度传感器51.1.3 气体传感器61.1.4 光纤传感器81.2 磁共振技术101.2.1 核磁共振技术101.2.2 电子顺磁共振技术121.3 X射线技术131.3.1 X射线吸收光谱131.3.2 X射线计算机断层扫描技术151.4 中子散射技术171.5 其他技术191.5.1 超声波检测技术191.5.2 拉曼散射技术192电池无损检测监测方法比较与分析213总结与展望22电池作为最关键的能源存储技术之一，现已被广泛应用于各种便携式电子设

2、备、家用电器、电动汽车等领域。随着电池在新应用领域的不断开拓，对于电池能量的需求也不断增加，为此学者们致力于研究具有能量密度高、循环寿命长以及能拓宽电池工作电压窗II的材料”咒然而这些电子设备在实际使用过程中，难以避免会在机械损伤、过度充放电或其他滥用条件下运行，引发热失控效应，从而导致严重的安全事故。因此为了能够清晰地评估电池的储能效能和安全风险，需要通过有效、精确且无损的表征手段监控电池内部，减少变量并确保电化学行为监测足够真实，以便于获取电池的健康状态、电荷状态和温度状态等关键信息巴一般来说，通过基础的电化学分析方法如恒电流充放电测试、循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(ElS)等获得的电

3、化学数据，可从中得到大量有关电池性能的信息，但是这些电化学测试很难直接洞察电池电极内部微观结构变化，获得的信息往往是内部已经发生变化而导致的结果表象式常规的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)技术已广泛用于对电池内部微观结构进行高分辨的二维图像表征，同时原位环境透射电子显微镜(加situETEM)通过对电镜样品室抽真空系统或对电镜样品杆的改造，使得待测样品能够处于不同气体环境或液体环境之中，进而有利于研究工况下电池反应有关的物理或化学过程，并揭示原子层次的反应机制Z但是由于高能粒子的照射，容易造成电极和固体电解质界面(SEI)结构的破坏，损害电池性能，并且电镜样品的制备及转移过程

4、中也不可避免受到污染或破坏，结果往往会存在一定程度的失真。虽然低温冷冻电镜能够解决上述问题，但是由于使用条件的限制，难以实现原位观察，且昂贵的设备费用也阻碍了其在实验中的广泛使用如久除了基础的电镜之外，传感器叱叫磁共振U3、X射线w叫中子散射071、超声波检测”钏、拉曼散射刈等技术凭借其能够深入研究电池运行状态的实时数据(电压、温度、释放的气体和应力等)以及内部微观结构演变，为改进、提高电池性能和安全性提供了技术支撑，己广泛应用于电池无损检测监测中0本综述的目的是通过对近些年报道的电池无损检测监测方法进行总结归纳，分别介绍传感器、磁共振、X射线、中子散射、超声波检测、拉曼散射等技术的原理，依次

5、阐述它们在电池检测应用中的特点，以及通过这些技术表征可以从中获得的重要信息，并对这些技术进行总结对比分析，最后对电池无损检测监测方法的发展和未来前景进行了论述，为精确无损地评估电池性能，预测和预防安全事故的发生提供方法借鉴和理论支撑。1常用电池无损检测监测方法在电池实际的应用中，对其的监测和控制以防止热失控等安全事故的发生并精准预测电池系统的寿命，是一项具有挑战且不可缺少的工作。然而安全事故的发生常常有很多原因，为此需要在不影响电池正常运行的工况下，对电池进行检测监测。现有的电池无损检测监测方法，如传感器技术常用于监测典型工况下电池的运行状态，包括电压、温度、释放的气体以及应力等宏观表象的变化

6、；磁共振、X射线技术、中子散射技术以及拉曼散射技术从原子或分子尺度定性定量检测，对电极等组件材料的元素组成、电子环境、结构变化和界面相互作用等进行表征分析，其中X射线计算机断层扫描技术能跟踪电极材料的三维结构化学演变过程。在实际检测监测过程中，由于电池组的复杂性，要求不同尺度和维度的表征技术之间要相互结合、互为支撑，以便最大限度地挖掘电池性能和电池安全性、循环寿命、可靠性等之间的关系明。图1电池无损检测监测方法HoH幽Fig.1Schematicdiagramofbatterynondestructivetestingmonitoringmethods222ai11.1 传感器技术传感器是一种

7、能够满足信息接收、处理、存储、传递表达、记录和控制6个要求于一体的实时监测装置。它是基于敏感元件将感受到的非电学量,利用转换元件输出所需电学量的原理来检测，其工作原理如图2所示。理想的无损传感器检测技术有以下特点：不干扰其他设备的正常操作；非破坏性；使用过程中不带来安全隐患；能够在待测电池运行期间工作；能与其他电池组装/耦合而不影响电池的操作和循环寿命。现有的传感器电池故障检测方法通常基于电压、温度以及释放的气体等进行监测，随着科学技术的不断发展，可深入监测电池内部微观结构演变以及应力变化的光纤传感器技术逐渐兴起。Hl电学量I-U感元联换元一帔换电附一同祠II一换电路I图2传感器工作原理Fig

8、.2Schematicdiagramofsensorworkingprinciple1.1.1 电压传感器电压传感器主要是对电池的电压变化进行监测,当电池有异常情况发生时，传感器监测到电压异常变化并发出信号，避免电池安全事故的发生。CUi等E报道了一种能够就地监测电池内部健康状况的智能电池来提高安全性的新策略。传统的电池隔膜是由惰性聚合物制成的具有多孔结构的电子绝缘层，它们不能有效阻止枝晶的过度生长，该课题组将隔膜改为聚合物-金属-聚合物三层配置，引入一种薄而多孔的导电铜金属作为中间层，聚合物夹层膜保持了正负电极之间的电子绝缘，仍然有效地起到隔膜作用，提供了传统的隔离功能和新的电压感应功能，通

9、过这种双功能隔膜实现了电池内部锂枝晶的早期检测，即在枝晶形成到完全内部短路之前监测检测锂枝晶的生长。该智能电池提供了除正极和负极之外的第3个传感器，其工作机制如图3所示，当枝晶将铜金属层与锂阳极连接时，电压将发生明显的变化(V1.U的突然下降)以提供安全警报，这种检测机制非常灵敏准确，能够在内部短路之前安全地将电池从使用系统中移除，有效防止火灾和爆炸。Yang等的开发了一种柔性四合一微型传感器，可嵌入质子交换膜燃料电池(PEMFC)中进行实时显微诊断。该团队采用微机电系统(MEMS)技术，将微型湿度传感器、微型PH传感器、微型温度传感Internalshort-circuitDendrited

10、etected(batterystillsafe)(possibleexplosionhazard)（八）(b)图3智能电池设计和制造示意图。（八）在传统锂电池中，只有当电池由于内部短路而失效并且几心降至零时，才能检测到锂枝晶完全穿透隔膜；(b)在具有双功能隔板的锂电池，过度生长的锂枝晶渗入隔板并与导电铜层接触，由于内部短路引起匕山下降，即将发生故障警告。同时充满电的电池在非零电位下仍可安全运行E(NafweCommunications拥有图片版权)Fig.3Schematicofthesmartbatterydesignandfabrication,（八）Dendriteformationi

11、natraditionallithiumbatterywherecompletepenetrationoftheseparatorbyalithiumdendriteisonlydetectedwhenthebatteryfailsduetoaninternalshortcircuitandKMjdrOPStozero;(b)Incomparison,alithiumbatterywithabifunctionalseparatorwheretheovergrownlithiumdendritepenetratesintotheseparatorandmakescontactwiththeco

12、nductingcopperlayer,givingrisetoadropin%4jaswarningofimpendingfailureduetoaninternalshortcircuit.Aswellas,thefullbatteryremainssafelyoperationalwithnon-zeropotentiall11,(NatureCommunicationshasimagecopyright)器和微型电压传感器集成到一个四合一微型传感器中，并且该传感器使用聚酰亚胺薄膜(50m)作为柔性基板，可以放置在PEMFC和流动通道之间的任何位置。1.ee等阿利用MEMS设计了一种温度

13、和电压传感器二合一的柔性微型传感器，该微型传感器总厚度为58m,可以嵌入纽扣电池中实时监测内部温度和电压。该研究团队在不同放电倍率下测试了纽扣电池中的温度，研究表明：电池内部温度比外部温度高1(，且当放电倍率增大时，纽扣电池内外温差也增加。此外，充电和放电会导致内部电压分布不均匀，在不同的充电倍率测试中，内部测得电压低于外部测量值，而在不同放电倍率测试下，内部测得电压高于外部测量值。该项技术为开展纽扣电池内部实时显微监控和安全诊断提供了检测方法。Baghdadi等,提出了一种利用电池能量存量(SOHe)评估电池健康状态(SOH)的简易方法，SC)HE是电池剩余容量(RBC)和电池原始容量(旧C

14、)的百分比。该方法是基于对UM(在充满电并静置30min后测得电池开路电压)过度老化的监测，通过对于在不同功率循环老化条件下的3种商业电池(石墨银钻钵酸锂，Kokam；石墨镭酸锂/银钻镒酸锂，1.GChem：石墨磷酸铁锂，1.iFeBatt)实验，证明了U*X和电池剩余容量之间存在线性相关性，并进一步确定了在不同老化状态下测量的两个1.UX之间的差异与电池健康状态的衰减成正比。1.1.2 温度传感器当电池进行充放电时，其相应的化学反应过程会涉及一系列的放热反应，电池内部则会产生大量热量，若来不及散发到外部环境中，热量蓄积会导致电池温度升高影响使用。例如，尤其是过充电(放电)，大电流负载或短路等

15、极端条件下，电池内部将产生大量的热量。这就需要对电池的温度进行监测，相较于电池表面温度监测，内部温度监测能提供更准确的信息，有助于更好地对电池的性能、寿命和安全性等进行预警同。最为普遍的温度测试装置就是热电偶传感器，其基本原理是由两种不同材料的导体构成一个闭合回路，用一端导体去测量温度，当两端导体之间存在温度差时，将这种温度信号转换为热电动势信号，此时闭合回路中就有电流通过，再通过仪表转换为被测介质的温度。1.i等报道了一种在玻璃基板上制造的聚酰亚胺嵌入式薄膜热电偶(TFTC)传感器，并将其转移到薄铜箔上的技术。他们把传感器嵌入锂离子软包电池中，当电池以大倍率充电/放电循环运行时，可以原位实时

16、测量电池内部温度，同时锂离子在电极之间的传输或转移不受传感器影响，传感器膜也不会与电池电解液发生反应或溶解于其中。Peng等网为了实时监测电池内部压力(由于外部冲击或内部凸起)和温度变化，设计了一种由薄压电/热电聚偏氟乙烯薄膜制成锂离子压力/温度监测的微薄膜传感器(1.BPTMS)。该团队将1.BPTMS与基于柔性印刷电路的阳极集流体组合，可以实时监测电池内部压力变化和热损伤，而不会干扰电池正常运行。压力和热信号可以通过示波器和峰值分离软件进行分类。当集成在电池中的1.BPTMS受到4N、6N、8N和ION的力影响时，压电脉冲电压分别为-1.9mV、-2.4mV-4.8mV和-8.2mV。电池鼓胀时，可采集到约-3