锂离子电池作为现代社会不可或缺的能量来源，广泛应用于从消费电子到电动汽车，乃至电网级储能的各个领域。然而，电池的性能衰减、突然失效甚至热失控引发的安全问题，一直是行业面临的巨大挑战。传统的电池监测方法往往依赖于电压、电流和温度等电化学参数，这些数据虽然重要，但往往难以提供电池内部微观降解过程的直接证据，且常常在故障迹象显著时才有所反应。
近期，麻省理工学院（MIT）化学工程系的研究团队在电池声学领域取得了一项突破性进展，为解决这些难题提供了全新视角。这项创新研究揭示，在电池性能下降、突然失效或甚至发生热失控之前，其内部会产生一系列微弱的声响。这些声音并非随机噪音，而是电池内部降解过程的独特“声学签名”。在此之前，尽管人们知晓电池会产生声音，但如何精确解读这些声音，并将其与电池内部特定的物理化学变化关联起来，一直是个悬而未决的科学难题。
由MIT研究生Yash Samantaray和Alexander Cohen，前研究科学家Daniel Cogswell博士以及化学工程与数学教授Martin Z. Bazant共同领导的团队，深入分析了锂离子电池发出的声波，并首次成功将特定的声学模式与电池内部发生的具体降解过程建立了关联。这项研究的成果已于9月5日发表在知名期刊《焦耳》（Joule）上。
Bazant教授指出：“在这项研究中，我们的团队通过严谨的科学工作，成功解码了这些声学信号。我们能够将其归类为由副反应产生的气泡，或是活性材料膨胀和收缩导致的断裂，甚至能够在嘈杂的数据中识别出这些信号的特征。”这意味着，我们现在能够以前所未有的精度，通过“倾听”电池，了解其内部正在发生的“故事”。
Samantaray进一步解释道：“这项工作的核心在于探索一种在电池充放电过程中，以非破坏性方式探究其内部机制的方法。”他补充说，目前业界存在一些内部检测方法，但大多成本高昂，且难以适用于电池的常规使用场景。而声学监测则提供了一种低成本、高效且无损的替代方案。
为了实现这一目标，研究团队设计了一个定制化的实验平台，能够同步记录电池的声学排放数据和电化学测试数据，模拟真实世界的充放电条件。通过精细的信号处理技术，他们将电学数据与声学数据进行关联分析。这种创新的多模态数据整合方法，使得研究人员能够更深入地理解气体生成和材料断裂这两种主要的电池降解与失效机制。
气体生成和材料断裂是导致锂离子电池容量衰减、内阻增加乃至最终失效的关键因素。能够仅通过监测电池产生的微弱声音，便有效检测并区分这两种过程，无疑为电池系统管理人员提供了一个极其重要的工具。以往的监测方法仅仅记录声压水平何时超过某个阈值，而MIT团队的研究则更进一步。通过同步监测电压、电流和声学特征，Bazant教授指出：“我们知道声学信号发生在特定的电位下，这有助于我们识别导致该信号的可能过程。”
研究人员在声学测试完成后，还会对电池进行解剖，利用电子显微镜观察材料的断裂情况，从而验证其声学分析结果的准确性。此外，他们还引入了小波变换技术——一种能够编码每个捕获信号的频率和持续时间的方法。这为从背景噪声中提取独特信号特征提供了显著优势。Bazant教授强调：“以前没有人这样做过，这是另一个突破。”
声学排放监测在工程领域有着广泛应用，例如用于监测桥梁等结构是否存在早期失效迹象。Bazant教授认为，对于电池而言，这同样是一种优秀的监测手段，因为“这些信号无论你是否在监听，都在发生”，因此通过监听，便能洞察到那些否则不可见的内部过程。他进一步阐述：“我们常常难以像期望的那样精确地解读电压和电流信息，以了解电池内部正在发生什么。而声学监测为我们提供了一个了解电池健康状态、剩余可用寿命乃至安全性的新窗口。”
在一篇与橡树岭国家实验室研究人员合作的论文中，该团队已展示了声学排放如何在热失控发生前提供早期预警。热失控是一种可能导致电池起火的危险情况，若未能及时发现将带来严重后果。新的研究表明，这些声音甚至可以在燃烧发生之前检测到气体生成，Bazant教授将其形象地比喻为“就像在加热的水壶中看到第一个微小的气泡，远早于水沸腾。”
这项研究的下一步将是基于对特定声音与电池内部状况之间关系的新认知，开发一套实用且经济高效的监测系统。例如，该团队已获得塔塔汽车公司的资助，致力于为其电动汽车开发电池监测系统。Bazant教授表示：“现在，我们知道要寻找什么，以及如何将其与电池寿命、健康和安全关联起来。”
Samantaray认为，这项新理解的一个潜在应用是作为实验室工具，供那些致力于开发新材料或测试新环境的研究团队使用。通过这种方式，他们无需打开电池，便能确定气体生成或活性材料断裂的情况，从而加快研发进程。Bazant教授补充说，该系统在电池制造过程中的质量控制方面也大有可为。“电池生产中最昂贵且限制生产速率的环节之一通常是形成循环（formation cycling），”他说。这是一个通过充放电循环来激活电池的生产步骤，其中涉及的化学反应会释放一些气体。新的声学系统将能够检测这些气体形成的“声学签名”，从而“在电池投入使用之前，甚至在制造初期，更容易地将性能优良的电池与存在缺陷的电池区分开来。”
这项前瞻性的研究得到了丰田研究所、电池可持续发展中心、美国国家科学基金会和国防部的支持，并利用了MIT.nano的设施。这些发现不仅深化了我们对电池内部机制的理解，更为未来电池技术的可靠性、安全性和效率提升，描绘出了一条充满希望的道路。通过精密的声学监测，我们或许能够实现对电池的“透视”，从而更好地管理和优化其全生命周期表现，为可持续能源的未来贡献关键力量。
