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美国宾夕法尼亚州费城德雷塞尔大学机械工程与力学系
摘要
本文全面概述了超声波检测（UT）在电池研发中的应用，架起了基础声学原理与实际应用之间的桥梁。首先详细介绍了UT所基于的声学物理原理，并描述了从电池系统中提取有用信息所需的硬件、软件和信号处理算法。接着总结了基于锂的电池的UT分析领域的关键学术成果和趋势，既涵盖了奠定该领域基础的研究，也提到了推动UT应用边界发展的最新进展。随后，本文介绍了用于辅助UT分析的实验室规模“原位”（operando）工具，展示了这些工具如何增强和验证研究结果。讨论范围不仅限于学术研究，还涵盖了UT在电池制造中的应用，并特别结合了工业界的观点，分析了该领域面临的挑战与机遇。最后，本文探讨了电池UT研究的未来发展方向。本文旨在总结UT在电池应用中的现状，为读者提供理解新UT研究和应用的工具，同时为希望在其工作中应用UT的研究人员和工程师提供实用指导。
引言
预计到2030年，电池需求至少将达到2500吉瓦时（GWh），1 这要求电池技术的各个阶段都必须迅速创新。研究新型材料以及现有系统失效的原因至关重要。同时，行业也需要改进制造工艺，如浆料控制和成形监测。随着应用于各种场景的电池数量不断增加，确保电池安全运行的电池管理系统（BMS）也变得十分重要。这些努力的共同点在于，迫切需要高性能、低成本、高效率的表征工具来加速创新并满足不断增长的需求。
超声波检测（UT）是一种成熟的无损检测（NDE）技术，广泛应用于医学、建筑等多个领域，近年来也被广泛用于电池检测。UT通过频率高于20 kHz的声波来探究系统内部情况。2 由此产生的波形包含了关于内部状态、材料特性以及缺陷发展的宝贵信息。由于换能器的外置特性和超声波脉冲的低能量，与其他表征技术相比，UT能够以相对较低的成本实现无损和“原位”测量。虽然单独使用UT可以获得有价值的机械信息，但将其与其他测量方法结合使用可以更全面地了解电池动态。除了组装好的电池外，生产线也可以在生产的各个阶段集成UT技术以实现快速的质量控制。
本文重点介绍了UT在电池制造和生产过程中的基本原理、实施策略和应用方法。文章结构包括：超声波理论、UT硬件与信号处理、关于电池的先前研究综述、UT与其他“原位”技术的结合，以及UT在电池工业中的应用。最后，我们讨论了未来的应用方向和前景，旨在补充Majasan等人3 、McGovern等人4 和Deng等人5 的综述内容，并结合了学术界和工业界的观点，探讨了当前的技术水平、未来的研究方向以及广泛应用面临的瓶颈。本文旨在帮助电池科学家了解UT的能力，同时也为希望在其工作中应用UT的研究人员提供指导。
超声波技术在电池中的应用
超声波在电池中的应用基础
本节介绍了超声波传播的基本原理及其在复杂系统（如电池单元）中的应用方式。UT基于这样一个基本原理：声学路径中的材料特性会影响声波的传播行为。声波本质上是压力波，因此其传播行为直接取决于振动能量在介质中的传播能力。
UT中最常分析的是纵波，但也包括剪切波和表面波。
超声波的生成与测量
进行超声波实验所需的仪器相对简单，主要组件包括脉冲发生器、换能器和记录设备。市场上有现成的UT仪器，但简单的自制系统也能以更低的成本获得高质量的数据。20 , 21 本节将讨论各种UT装置的物理布局，并介绍与硬件选择相关的实验选项，特别关注换能器的选择。
超声波信号处理在电池研究中的应用
本节概述了常用的UT指标、它们的物理含义以及在电池研究中使用的基本信号处理技术。通过将记录的换能器电压随时间的变化（与声压成正比）与波传播的物理原理联系起来（见图3A），UT为理解电池行为提供了宝贵信息。虽然这不是一个详尽的综述，但旨在帮助读者解读基于UT的电池研究结果。
超声波在电池研究中的应用
将UT应用于电池的基础在于电池在循环、退化和失效过程中发生的化学力学变化。本节讨论了UT在电池研究中的应用成果，不仅概述了一些具体的研究发现，还探讨了不同研究中超声波响应的共性及其背后的物理原因。除非另有说明，所有研究均基于相同的原理。
实验室规模电池研究的“原位”技术
UT的一个显著优势是其灵活且简单的硬件设计，为使用其他探测手段提供了可能性。解读超声波数据并将其分析扩展到电池单元内的特定化学力学变化通常需要辅助方法来验证假设。因此，结合多种实验方法对于将UT应用于新的化学体系和电池指标至关重要。本文列出了已与UT结合使用的“原位”技术。
电池组件制造的测量技术
尽管大多数学术研究都集中在成品电池的UT检测上，但工业界也迫切需要非破坏性和快速的方法来检测电极制造和电池单元组装过程。例如，可以测量电极涂层的均匀性和流变性，监测薄膜涂层的均匀性，以及检查堆叠电极的对齐情况和极耳焊接质量。
扩展到工业制造的挑战与机遇
尽管前文强调了UT的潜力，但其大规模商业化应用仍面临挑战。工业规模的试点试验证实了UT作为保护高价值电池组件的有效无损检测方法，同时可以在不暴露材料或操作人员于电离辐射的情况下检查正在生产和组装的电池单元的质量。135 然而，实际应用过程中仍存在一些障碍。
未来展望与应用方向
超声波作为一种快速、无损的电池表征技术，在制造过程中的在线质量控制方面展现出巨大潜力。鉴于其易用性，我们预计UT在电池研究中的常规应用将持续增长，成为标准电化学表征方法的补充手段。为此，研究人员应关注多个关键领域，以进一步提升该技术在更广泛领域中的应用价值。
致谢
利益声明
作者声明没有利益冲突。
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