微型超聲波傳感器可監測電動汽車電池情況

CARLOS JONES/ORNL/U.S. DEPARTMENT OF ENERGY

一項新的研究發現，小如縮略圖的超聲波傳感器可以掃描鋰離子電池，以檢查其充電、健康和安全性。

研究結果表明，超聲波，即頻率高于人類聽力的聲波，有朝一日可能有助于電動汽車更好地估計電池中的剩余電量。該研究的主要作者、田納西州橡樹嶺國家實驗室的超聲波工程師Hongbin Sun表示，這種方法還可能有助于檢測處于災難邊緣的不穩定電池，在制造過程中快速測試電池質量，并確定哪些用過的電池足夠健康，可以轉售以減少浪費。

估計商用鋰離子電池的剩余電量目前是一項具有挑戰性的任務。例如，電動汽車在估計電池電量時通常會遇到大約10%的不確定性。這反過來又使它們的行駛里程減少了約10%，以確保它們保持在電池的安全范圍內。

為了找到一種簡單、廉價、無損的方法來估計鋰離子電池的電量，科學家們研究了超聲波。隨著鋰離子電池的放電和再充電，潛在的電化學反應導致其部件的性能和結構發生機械變化，原則上來說，超聲波掃描可以檢測到這些變化。

之前對鋰離子電池進行超聲波掃描的工作通常只使用一個超聲波頻率進行實驗。在這項新的研究中，研究人員檢查了多個超聲波頻率，以了解每種頻率在估計電池電量方面的優缺點。

在實驗中，科學家使用約1.25厘米寬的商用現成超聲波傳感器，在充放電過程中監測2.4安培小時的鋰離子電池。他們測試了相對低頻的750千赫、1兆赫和1.5兆赫超聲波，因為電池材料在很大程度上吸收的頻率高于此。（作為參考，人類可以聽到大約20赫茲到20千赫之間的頻率。）

研究人員觀察到，所有三種頻率的波速都與電荷狀態有關。電波減弱的方式也有助于揭示電池中的材料在充電和放電期間的相位變化。

“我們提出的方法為電池性能評估和了解電池充放電過程中的材料相變提供了快速、低成本的解決方案，”Sun說，“對于工業規模的應用，它或可用于預測電池的充電狀態和評估電池是否失去保持充電的能力。”

Sun指出，這種方法的潛在應用將在電動汽車電池中嵌入低成本的壓電超聲傳感器，以持續監測它們。他表示，該技術目前在估計電池電量時的不確定性約為5%，大約是現有技術的兩倍。通過改進傳感器校準并考慮測量過程中的溫度影響，“我們預計誤差可以降低到2%左右，”Sun說，“我們預計不確定性的減少將轉化為EV范圍的改善。”

此外，使用超聲波掃描，“有缺陷的電池很容易被發現，”Sun表示。超聲波掃描“也可能為電池起火提供早期預警，因為超聲波對電池內部的溫度變化和材料變化非常敏感”。

未來的研究需要在多種鋰離子電池上測試這一技術，以及一系列的充電速率和更多的充電周期；Sun表示，該方法“在商業化之前還需要大量的額外工作和技術驗證”。

科學家們在《電源雜志》上詳細介紹了他們的發現。