麻省理工学院解读电池化成与退化的声学密码 有助于开发新监测设备

盖世汽车讯 在电池耗尽电量、突然失效或起火之前，它们往往会随着时间推移发出细微声响，这些声响正是电池内部结构劣化过程的特征标志。但迄今为止，无人能准确解读这些声响的含义，也无法区分普通背景噪音与潜在故障的重要征兆。

图片来源：麻省理工学院

据外媒报道，麻省理工学院（MIT）化学工程系的研究团队对锂离子电池发出的声响进行了详细分析，成功将特定声学模式与电池内部发生的具体劣化过程建立关联，该研究成果发表于期刊《焦耳（Joule）》。这项新发现有望为开发相对简单、完全被动且无损的监测设备奠定基础，这类设备可持续监测电动汽车或电网级储能设施中电池系统的健康状况，从而预测有效使用寿命并提前预警故障。

Bazant 表示：“在本研究中，通过严谨的科学工作，我们的团队成功破译了声发射信号。我们能够将这些信号归类为由副反应产生的气泡，或是活性材料膨胀收缩形成的裂纹所致，甚至能在嘈杂数据中识别出这些信号的特征。”

Samantaray解释道：“这项工作的核心在于探索一种在电池充放电过程中非破坏性研究其内部机制的方法。目前已有少数研究方法，但多数成本高昂且难以应用于常规电池形态。”

为实现分析目标，研究团队在真实充放电条件下同步进行电化学测试与声发射记录，通过精细信号处理建立电学与声学数据的关联。Samantaray指出：“由此我们开发出一种成本效益高且高效的方法，能够真实理解材料的气体生成与断裂过程。”

气体生成与材料断裂是电池退化失效的两大核心机制。仅通过监测电池发出的声响就能检测并区分这些过程，这对于电池系统管理者而言将是一项重要工具。

以往的方法仅监测声音并记录整体声级超过阈值的时间点。但Bazant 指出，这项研究通过同步监测电压、电流及声学特性，“我们发现声发射发生在特定电位（电压）下，这有助于识别引发声发射的具体过程。”

测试结束后，研究团队会拆解电池，在电子显微镜下观察材料是否出现断裂。

此外，研究团队还采用了小波变换技术。这种方法能对捕获的每个信号进行频率和持续时间编码，形成独特的特征标记，从而更容易从背景噪声中提取信号。“此前无人尝试过这种方法，”Bazant 强调，“这无疑是另一项重大突破。”

Bazant指出，声发射技术在工程领域应用广泛，例如用于监测桥梁等结构是否出现早期损坏迹象。“这是监测系统状态的绝佳方式，”Bazant表示，“因为这些声发射现象无论你是否倾听都持续存在。”通过聆听，人们得以窥见那些肉眼不可见的内部运行机制。

谈及电池时，Bazant表示：“我们常难以精确解读电压电流数据，从而准确掌握电池内部状况。声发射技术为我们提供了另一扇观察窗口，既能评估电池健康状态和剩余使用寿命，也能保障运行安全。”

在与橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）研究人员合作发表于期刊《the Journal of Energy Storage》的相关论文中，团队证实声学发射可对热失控提供早期预警，这种失控若未及时发现可能引发火灾。新研究表明这些声波还能用于检测燃烧前的气体生成，Bazant表示：“这就像在水壶沸腾前很久就观察到初现的微小气泡。

下一步将基于对特定声音与具体状况关联性的新认知，开发出实用且经济实惠的监测系统。例如，该团队已获得塔塔汽车公司（Tata Motors）的资助，为其电动汽车研发电池监测系统。“现在我们清楚该关注哪些指标，以及如何将其与使用寿命、健康状况和安全性建立关联，”Bazant表示。

Samantaray指出，这项新发现可能的应用之一是“作为实验室工具，帮助研发新材料或测试新环境的团队，无需拆解电池即可检测气体生成或活性物质断裂情况”。

Bazant认为，该系统对电池制造的质量控制同样具有价值，并解释道：“电池生产中最昂贵且限制生产速度的环节往往是化成循环过程。”该过程通过反复充放电使电池磨合，其中部分化学反应会释放气体。Bazant表示，新系统能检测这些气体的化成特征，“并且通过感知这些特征，或许能在电池制造阶段，即电池实际使用寿命开始前，更早地将成型良好的电池与成型不良的电池区分开来。”