據麥姆斯咨詢報道，美國橡樹嶺國家實驗室最近的一項新研究發現，縮小到指甲蓋大小的超聲波傳感器可以用來掃描鋰離子電池，以監測其充電、安全性和健康水平。

研究結果表明，頻率高于人類聽力的超聲波，有朝一日或能幫助電動汽車更好地估算電池剩余電量。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，這種方案還有助于檢測處于災難邊緣的不穩定電池，在制造過程中快速檢測電池質量，以及確定哪些用過的電池足夠健康，從而二次利用以減少浪費。

目前，商用鋰離子電池剩余電量的估算，是一項具有挑戰性的任務。例如，電動汽車在估算電池電量時通常存在大約10%的誤差。反過來，這種誤差可能會使它們的續航里程縮短約10%，以確保維持在電池的安全范圍內。

為了找到一種簡單、經濟且無損的方法來估算鋰離子電池的電量，科學家們研究了超聲波檢測方案。隨著鋰離子電池的充放電，基本的電化學反應會導致其組件的性能和結構發生機械變化，因此，利用超聲波掃描理論上可以檢測到這些變化。

此前利用超聲波掃描鋰離子電池的研究，通常只采用一個超聲波頻率進行實驗。在這項新的研究中，研究人員采用了多個超聲波頻率，以了解每種頻率在估算電池電量方面可能的優缺點。

在實驗中，科學家利用約1.25厘米寬的市售超聲波傳感器，對2.4 Ah鋰離子電池的充放電過程進行了監測。他們測試了相對低頻的750 kHz、1 MHz和1.5 MHz超聲波，因為電池材料的吸收頻率要高于這些頻率。

超聲波發射器可以發射超聲波，穿過鋰離子電池到達超聲波接收器，從而“傳送”電池狀態相關的數據

研究人員觀察到，所有三種頻率的波速都與充電狀態有關。超聲波減弱的方式也有助于揭示電池中材料在充電和放電過程中的變化。

“我們提出的方法為電池性能評估，以及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，它或能用于預測電池的充電狀態，評估電池是否失去保持電荷的能力。”

Sun指出：“利用該方案可以在電動汽車電池中嵌入低成本的壓電超聲波傳感器，以持續監測電池。他表示，該技術目前在估算電池電量時的不確定性約為5%，改善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，從而幫助改善電動汽車的續航。”

此外，利用超聲波掃描，很容易發現有缺陷的電池。因為超聲波對電池內部的溫度變化和材料變化非常敏感，超聲波掃描有望為電池起火提供早期預警。

未來的進一步研究需要對多種鋰離子電池、不同的充電速率以及更多的充電周期測試這一技術。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”。

審核編輯：劉清