研究背景
受能源危机与环境危机的影响，开发绿色新能源成为决定世界经济发展的重要技术领域之一。电化学储能凭其可循环、高效、环保、低成本、同现有能源体系匹配性好等特点，被认为是解决这一问题的良好途径。锂离子二次电池作为一种稳定可靠的电化学储能器件，被广泛应用于消费电子产品、电网储能、新能源汽车等领域，然而它在容量、倍率性能、循环寿命、安全性等方面的指标尚未完全满足产业界的需求，因此有必要对其性能的限制因素和失效机制进行更深入的研究，进一步提高综合电性能。
深入的机理分析离不开先进的表征技术。当前 针对锂离子电池性能表征的技术手段可分为原位分析和拆解分析两大类，如图1所示。一般来说， 可获取丰富信息量的表征手段大多需要对电池进行拆解，但很多电池内部结构信息在拆解过程中会发生变化，所以亟需开发一种可对电池进行原位无损表征的手段，特别是多物理特性的实时测量方法，通过构效关系分析电池性能的影响因素。
超声波检测作为无损检测的方法之一，最早开始于1930年，利用进入被检材料的超声波对材料表面或内部缺陷进行检测。与其他检测技术相比，超声检测技术具有检测对象范围广、深度大、缺陷定位准确、灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无害以及便于现场使用等特点。超声波的本质是一种声波，且归于机械波，它是周期性的机械振动在介质中的传播形式。当在压电材料两面的电极上加上电压时，材料就会按照电压的正负和大小，在厚度方向发生伸缩振动。利用这一性质，若加上高频电压，就会产生高频伸缩现象。将这个伸缩振动设法加到被测电池上，电池表面质点也会随之产生振动，从而产生声波，声波在电池内部传递并与电极材料相互作用，获取电极材料的物理信息。如果采用相反的方式接收同电极材料作用后的超声信号，观察和测定其穿过材料后的声速、衰减、共振频率、二次谐波等特征信息，便可得知材料中晶粒度、弹性模量、硬度、内应力、界面强度、厚度等物理参数的变化。超声波通常为波长毫米数量级的机械波，具有良好的方向性，其能量与频率的平方成正比，在固态和液态介质中传播时，能量损失小，传播距离大，穿透能力强，但在气体中衰减系数极大且在固-气、固-液界面会发生强烈的反射。借助超声波的这些特性搭建相应的电池测试系统，能实现对电池的产气现象、电解液浸润状况、析锂分布、荷电状态和健康状态等内部结构特征信息的表征分析，为电池的设计、生产工艺参数的调整、新型电极材料的开发提供依据。本文总结概述了现有超声检测技术在电池表征领域的应用，包括内部气体检测、电解液浸润测试、电池析锂检测、电池荷电状态测量、电池寿命预测等，对其发展前景进行了展望。
结语
目前电池超声技术在电池研究表征的各个领域都展现出了巨大的应用潜力。
（1）电池荷电状态测量方面，已有的研究结果表明电池的超声特性与其SOC 之间存在密切的联系，超声检测设备如果能做到小型化，完成与现有电池管理系统的集成设计，将大大提升现有电池管理系统的SOC 估测精度，为电池在电池组中的合理使用与寿命延长提供参考。
（2）电池析锂检测方面，超声技术不仅能快速定位极端条件下电池内部的析锂位置，有助于优化电池结构设计，而且也能确定电池在极端条件下的析锂边界电流，据此设定合适的电池工作区间，在保证电池安全运行的情况下挖掘电池的利用潜能。
（3）电解液分布测试方面，超声表征技术能帮助研究者确定电池注液过程中电解液的浸润过程，帮助优化电解液注入量、注入气压等工艺参数， 也能确定电池化成前的静置时间，提高生产效率。
（4）电池寿命预测方面，借助超声手段能有效反映电池循环过程中物理特性的变化信息，这些信息可作为电池早期健康状态优劣的评判依据，有利于缩短电池测试时间和研发周期，并为退役电池的梯次利用提供支持。
虽然当前的超声电池测试技术在设备成熟度、测量精度、理论建立等方面还存在着不足，但在锂离子电池发展的过程中，超声检测方法随着材料更新的发展，必定会受到越来越多的研究者的青睐，超声测试手段在更多电池研究领域的应用势在必行。
