【研究背景】
锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命和广泛应用而受到重视，广泛应用于电动汽车、便携式电子设备和储能系统等领域。然而，析锂作为一种主要的电池退化机制，严重影响电池性能并带来安全隐患。析锂发生在锂离子从正极迁移到负极过程中，当锂离子无法顺利嵌入负极时，会在负极表面形成金属锂层，导致电池容量下降、循环寿命缩短，甚至引发短路和热失控等安全问题。由于析锂的复杂性和不可预测性，尤其在其初期阶段进行检测和监测变得十分困难。因此，开发有效的检测方法以确保电池安全和延长使用寿命显得尤为重要。
【工作简介】
近日，香港科技大学施帆课题组等人提出了一种新颖的超声波光谱法，能够在锂离子电池中实现析锂的早期检测和动态监测。作者首先建立了多层浸液多孔电池结构的波动模型，利用该模型来预测超声波在电池内部的传播特性，并确定了适合检测析锂的超声波频率。通过在室温和低温条件下进行控制实验，发现低温下析锂会导致超声特定频率的频域信号幅度显著降低，从而实现高灵敏度的早期检测。研究结果显示，超声波光谱法在锂离子电池的实时监测中具有极大的潜力，为锂离子电池在恶劣条件下的行为提供了深入的见解，并支持更安全、更可靠的电池技术的发展。该文章发表在Cell Report Physical Science上， Wuke Xu是第一作者。
图1 电池中的波传播模型 (a) 电池结构; (b) 反射系数; (c) 透射系数
【内容表述】
为了实现析锂的高灵敏度检测，选择超声波作为检测手段。超声波具有非侵入性、高灵敏度和实时监测的优点，适合在电池的动态工作环境中应用。超声波信号的传播特性与电池内部结构、材料性质及锂沉积状态密切相关。通过分析超声波信号的频谱变化，可以有效区分析锂与正常工作变化，从而提高检测的可靠性。
本研究中，首先建立了多层电池的波动模型，分析了超声波在电池内部的传播特性。我们采用多层结构声学模型来预测多层电池结构的超声波传输谱。通过不同频率的超声波信号进行实验，监测超声波信号的幅度变化。在室温条件下，超声波信号幅度随充电状态变化而增加，而在低温条件下，析锂导致信号幅度显著下降，形成明显的反向变化。这一变化趋势表明了析锂的发生。
在快速充电应用方面，我们将超声波光谱法应用于锂离子电池的快速充电过程中，实时监测锂沉积的动态变化。实验结果显示，在快速充电过程中，超声波信号的幅度变化与锂沉积的程度密切相关。这一发现为优化快速充电策略提供了重要依据，有助于提高电池的安全性和性能。
快充条件下的析锂检测. (a) 电压以及超声信号; (b) 电压 vs. 容量.
核心结论
研究结果表明，超声波光谱法能够有效地检测锂离子电池中的析锂，信号幅度的显著变化提供了析锂的早期指示。这一方法具有高灵敏度和可靠性，为锂离子电池的安全监测提供了新的技术手段。通过对超声波信号的频谱分析，我们能够在锂离子电池的工作过程中实时监测析锂的动态变化，为电池管理提供重要的数据支持。
来源：能源学人
【文献详情】
Xu et al., Ultrasonic spectroscopy for in situ early detection and dynamic monitoring of lithium plating in lithium-ion batteries, Cell Reports Physical Science (2025), https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.102507
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