锂离子电池作为现代能源存储的核心技术，其健康状态评估和安全性监测一直是行业关注的焦点。传统监测方法主要依赖电压和电流测量，难以捕捉电池内部微观结构的物理化学变化。近日，麻省理工学院研究团队在《Joule》期刊发表了一项创新性研究，通过声学发射技术实现了对电池内部过程的实时无损监测，为电池健康评估开辟了新途径。

【信息卡片】

Electrochemically resolved acoustic emissions from Li-ion batteries

Joule

https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102108

本研究提出了一种操作无损评估方法，通过结合被动声学发射分析与同步电化学测试，在消除电磁干扰并应用基于小波变换的信号处理后，可重复识别和区分电池内部物理机制。

一、研究背景与行业痛点

锂离子电池在循环过程中会发生多种内部降解机制，如电极材料降解和副反应。这些过程的发生时间和位置严重影响电池性能，但传统诊断方法往往无法检测不直接影响宏观电化学变量的内部机制。现有的无损评估方法包括电化学、热学和成像技术，各有优缺点，特别是在操作条件下的实施能力存在局限。

声学发射测试作为一种成熟的无损评估技术，在结构工程领域广泛应用，但在电池应用中尚未提供可靠评估。主要挑战包括数据重现性差以及将声学发射与特定电池过程相关联的困难。

二、创新方法：声学伏安法

研究团队开发了一种名为"声学伏安法"的混合技术，将电池声学发射测试与循环伏安法同时进行，从而电化学分辨特定电池机制的声学发射。

研究团队通过添加电磁干扰扼流圈（如图1A中橙色框突出显示）显著提高了实验的重现性。如图1C和1D所示，使用电磁干扰扼流圈和滤波器后，不同NMC和石墨半电池在声学伏安法实验中检测到的累积声学发射数量重现性得到显著改善。

三、NMC811材料的声学特性分析

在多晶NMC811半电池的研究中，研究人员发现了独特的声学发射模式。图2展示了在3.0-4.5V电位范围内以0.05 mV/s扫描速率进行的4个连续循环伏安图期间的电化学分辨声学发射。

声学活动显示出两个直方图峰值：一个在NMC811电极脱锂期间（4.0-4.3V），另一个在锂化期间（3.4-3.8V）。这与NMC811中的H2→H3相变发生在相同的脱锂电位窗口相一致，该相变由于其快速体积收缩而与颗粒断裂相关。

四、颗粒断裂的验证分析

为了验证声学发射与颗粒断裂的直接关联，研究人员进行了破坏性评估。通过扫描电子显微镜成像为基础的颗粒断裂比率和颗粒断裂速率计算，发现在脱锂H2→H3相变附近颗粒断裂比率和速率增加。

图3A显示了在整个第一个循环伏安图电位范围内每个电位的颗粒断裂比率。图3B显示了使用扫描速率计算的相邻电位间平均颗粒断裂比率的变化率。图3C-3E中的SEM图像定性显示了颗粒断裂比率的变化。

五、石墨电极的声学特性

石墨半电池的声学伏安法测试揭示了固体电解质界面形成过程中的声学发射特性。图5显示了在同一石墨半电池上三个连续循环伏安图期间的声学发射分布。

声学发射显示出三个活动峰值：一个在石墨电极放电或脱锂期间（0.2-0.5V），两个在充电期间，一个在锂化电位范围（0.01-0.25V），另一个在较高电位（0.4-0.8V）。通过与文献中的气体发生数据对比，证实了这些声学发射与固体电解质界面形成过程中乙烯气体生成的相关性。

六、声学发射信号的区分能力

通过小波变换和无监督聚类技术，研究人员成功区分了不同来源的声学发射信号。图6展示了代表性声学发射的原始波形和对应的小波变换尺度图。

研究发现了六类不同的声学发射：电磁干扰引起的、振动引起的、锂对称电池的、石墨脱锂/嵌锂的、石墨固体电解质界面形成电位窗口的以及NMC811半电池的声学发射。通过多维尺度分析，这些声学发射在二维图中形成了可区分的聚类。

七、总结与展望

本研究建立了使用声学伏安法进行电化学分辨声学发射分析的方法论，成功评估了NMC811的颗粒断裂和石墨上固体电解质界面形成的操作过程。通过工程控制消除电磁干扰噪声，实现了与循环伏安法同步测量时可重复检测声学发射。

研究的核心价值体现在以下方面：

1：将声学伏安法与先进信号处理相结合，为电池内部过程监测提供了新工具

2：通过破坏性分析和严格控制实验，确证了声学发射与特定电池机制的关联

3：为电池健康状态、剩余使用寿命和安全性风险评估提供了潜在优势

未来研究方向包括：

开发基于物理的声学发射模拟模型

扩展至全电池系统的应用研究

探索与其他无损检测技术的多模态融合

【作者介绍】

通讯作者Martin Z. Bazant是麻省理工学院化学工程和数学教授，长期专注于电化学系统建模和材料研究，在电池领域有深厚造诣；第一作者Yash Samantaray是研究团队核心成员，在国家科学基金会研究生研究奖学金支持下，在电池声学表征方面做出了突出贡献。

文章来源：电池课堂

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