先进技术让电池内部玄机全暴露？

shuszhao · 发表于 2019-2-7 08:13:19

伦敦大学学院研究人员设计并成功实现的技术，可用于观察电池的电化学“黑盒子”内部作业情况。他们的成功让我联想到：除此之外，其他还有什么也适于实时观察的电子相关操作或过程，而不至于影响正进行中的作业本身？
在研发阶段，通常很难对电池进行测试。当然，你可以测量电压、电荷流量和温度，甚至是实体尺寸的变化，但在那之后，就很难看到内部究竟发生什么了。然而，由于研究人员对于改善电池技术有着浓厚的兴趣，使其在不断地研究与探索中突破限制，从而获得真正深入的了解。
例如，我最近刚好拜读了伦敦大学学院(University College London；UCL)一个研究团队所发表的一系列文章和一篇学术论文，清楚地介绍了电池测试界通常能够看到其他人无法看到的极端情况。该研究团队开发了一款复杂的设置，能够实时针对锂离子电池进行内部计算机断层扫描(CAT)，让研究人员们顺利看到内部发生的情况，如图1所示。
dianchi1.jpg

图1：(a)安装在旋转台上的电池密封设计剖面图，用于进行实时X射线CAT扫描；(b)设备热失控实验的设置；(c)以3D重建2.6A-hr电池(Cell 1)的XY、YZ和XZ平面之切片以及隔离的XY切片；(d)以3D重建2.2A-hr电池(Cell 2)之XY、YZ和XZ平面之切片以及隔离的XY切片（来源：University College London & Nature）
研究人员的目的在于详细了解这些电池令人遗憾且众所周知难以解释的一面：它们在某些情况下会出现过热和爆炸/着火的倾向，这种情况被戏剧性地称为热失控(thermal runaway)，但这样的形容一点也不为过，如图2。这种情况已经多次发生在大型和小型电池组了，例如波音梦幻客机787 (Boeing Dreamliner)、悬浮板，甚至是未充电中的笔记本电脑。
dianchi2.jpg

图2：(a)热失控后的Cell 2外部视图，显示爆破封盖和突出的内部内容物。黑色标记表示相应断层图底部切片的起点；(b) 3D重建显示隔离的铜相(黄色)、其他破碎的材料(半透明深灰色)，以及铜相大部份仍然完好无损的电池外壳(蓝色)（来源：University College London & Nature）
研究人员声称，他们开发这种实时可视性是一种“测试先行”(test first)的想法。当然，我会相信他们说的话。但他们究竟如何进行以及做了些什么？他们发现了什么？这些应该都会是令人感兴趣的事，毕竟它并不只是借用了CAT扫描仪这么简单而已。而且，图中还有一个同步加速器以及看起来很有趣的夹具。
dianchi3.jpg

图3：电池热失控的3D影像（来源：University College London）
从以下几方面还可以看到更详细的介绍：
• 在《自然》(Nature)期刊发布的“在锂离子电池热失控期间执行高速断层扫描”(In-operando high-speed tomography of lithium-ion batteries during thermal runaway)学术论文中，搭配许多精彩的图片加以详细介绍(但难以理解)；
• 研究团队针对“电池安全”的介绍；
• ‧伦敦大学学院精心撰写的新闻稿：《实时追踪爆炸锂离子电池》(Tracking exploding Lithium-ion batteries in real-time)；
• 美国太空总署(NASA)的《技术摘要——光子学和成像技术增刊》(Tech Briefs-Photonics & Imaging Technology Supplement)中“3D成像实时显示电池退化状况”(3D Imaging Reveals Battery Degradation in Real Time)一文中采访主要的研究人员，讨论到他们遭遇的一些问题并以此测试设置克服了问题——在新闻发布或正式科学论文中较少介绍，但测试工程师应该会对此感兴趣。
伦敦大学学院研究人员设计并成功实现的技术，可用于观察电池的电化学“黑盒子”内部作业情况。他们的成功让我联想到：除此之外，其他还有什么也适于实时观察的电子相关操作或过程，而不至于影响正进行中的作业本身？你还想从这样的测试操作中看到哪些变化？