利用压电超声波传感器扫描锂离子电池监测其充电和健康水平

据麦姆斯咨询报道，美国橡树岭国家实验室最近的一项新研究发现，缩小到指甲盖大小的超声波传感器可以用来扫描锂离子电池，以监测其充电、安全性和健康水平。

研究结果表明，频率高于人类听力的超声波，有朝一日或能帮助电动汽车更好地估算电池剩余电量。该研究的主要作者、田纳西州橡树岭国家实验室的超声波工程师Hongbin Sun表示，这种方案还有助于检测处于灾难边缘的不稳定电池，在制造过程中快速检测电池质量，以及确定哪些用过的电池足够健康，从而二次利用以减少浪费。

目前，商用锂离子电池剩余电量的估算，是一项具有挑战性的任务。例如，电动汽车在估算电池电量时通常存在大约10%的误差。反过来，这种误差可能会使它们的续航里程缩短约10%，以确保维持在电池的安全范围内。

为了找到一种简单、经济且无损的方法来估算锂离子电池的电量，科学家们研究了超声波检测方案。随着锂离子电池的充放电，基本的电化学反应会导致其组件的性能和结构发生机械变化，因此，利用超声波扫描理论上可以检测到这些变化。

此前利用超声波扫描锂离子电池的研究，通常只采用一个超声波频率进行实验。在这项新的研究中，研究人员采用了多个超声波频率，以了解每种频率在估算电池电量方面可能的优缺点。

在实验中，科学家利用约1.25厘米宽的市售超声波传感器，对2.4 Ah锂离子电池的充放电过程进行了监测。他们测试了相对低频的750 kHz、1 MHz和1.5 MHz超声波，因为电池材料的吸收频率要高于这些频率。

超声波发射器可以发射超声波，穿过锂离子电池到达超声波接收器，从而“传送”电池状态相关的数据

研究人员观察到，所有三种频率的波速都与充电状态有关。超声波减弱的方式也有助于揭示电池中材料在充电和放电过程中的变化。

“我们提出的方法为电池性能评估，以及了解电池充放电过程中的材料相变，提供了快速、低成本的解决方案。”Sun说，“对于工业规模的应用，它或能用于预测电池的充电状态，评估电池是否失去保持电荷的能力。”

Sun指出：“利用该方案可以在电动汽车电池中嵌入低成本的压电超声波传感器，以持续监测电池。他表示，该技术目前在估算电池电量时的不确定性约为5%，改善大约是现有技术的两倍。通过改进传感器校准并考虑测量过程中的温度影响，我们预计误差可以降低到2%左右，从而帮助改善电动汽车的续航。”

此外，利用超声波扫描，很容易发现有缺陷的电池。因为超声波对电池内部的温度变化和材料变化非常敏感，超声波扫描有望为电池起火提供早期预警。

未来的进一步研究需要对多种锂离子电池、不同的充电速率以及更多的充电周期测试这一技术。Sun表示，该方法“在商业化之前还需要大量的额外工作和技术验证”。

审核编辑：刘清