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華中科技大學教授黃云輝

 

       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，華中科技大學教授黃云輝說。

 

       新能源汽車國家大數據聯盟曾發布的《新能源汽車國家監管平臺大數據安全監管成果報告》顯示，僅去年5月至7月，就發生了79起自燃安全事故，平均每一天半就有一起事故發生。

 

       黃云輝介紹，目前，車用動力電池以三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池為主，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。

 

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

 

       在他看來，電池安全問題出現的主要原因是電池的熱失控和安全性失效，因此，在設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、模組及系統等的研發策略，其中之一就是要想辦法對電池的健康狀態(SOH)和荷電狀態(SOC)進行準確監測，以確保電池包中的各個電池在適宜的溫度和電壓范圍內工作，并能夠對異常電池及其狀態作出預警和切實響應。

 

       近年來，黃云輝帶領科研團隊在研發無枝晶的高容量金屬鋰負極、超薄的柔性聚合物固態電解質以及面向固態電池的關鍵電極材料的同時，研發出了鋰離子電池超聲掃描系統。

 

     “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部結構，如今我們可以通過超聲掃描檢測電池的內部狀態。這個技術準確地講，是通常使用的‘B超’的升級版——‘C超’技術。”

 

       基于超聲技術，超聲掃描設備系統通過可視化技術，可以在靜態或在線情況下無損地直接透視電池內部，直觀觀察到電池內部的缺陷及氣體和液體分布。同時，該系統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界面膜(SEI膜)生長情況，快速診斷并發現電池內部微量產氣，監測判斷電池使用過程中的健康狀態。

 

       黃云輝介紹，電池超聲掃描設備與X射線檢測技術有很強的互補性，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域透射率低的特性，檢測電解液浸潤情況;通過對電池內部微升級氣體檢測，評價電解液穩定性、三元材料包覆層有效性、析鋰極限工況等各類SOH指標;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，避免嚴重的安全事故;通過電池循環過程中超聲信號的衰減變化預測電池的循環壽命;此外，設備還可以檢測電池的荷電狀態，對電池SOC估算精度的誤差在1%~3%，遠好于常規手段。

 

       2015年，在國家自然科學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的基礎研究，將超聲信號和電池的電化學信號結合起來。2017年起，他們在華中科技大學無錫研究院開展自主知識產權技術開發，成功研制了適用于不同場景的電池超聲掃描儀系列產品，成為國際上最早的鋰電池超聲無損智能診斷系統。

 

       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：“我們已經用它來研究電解液浸潤、電解液穩定性以及老化電池中電解液的損耗，我們認為它還可以被用于研究電池內電解液極化過程，這方面實驗已經開始，還可以想象用這臺優秀的儀器完成許多其它實驗。該設備的軟件也很好用，一個小時的培訓即可輕松掌握。”

 

       黃云輝表示，目前電池超聲掃描技術及其相關產品已經服務于華為、特斯拉、寧德新能源等十余家鋰離子電池產業鏈企業，解決了許多技術難題，并將不斷完善，以發揮更大作用。