综述：电池研究与生产中的超声检测技术
2026-11-01 14:06:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

随着锂基可充电电池的应用日益广泛，整个电池生命周期都需要先进的计量与表征工具。超声检测（UT）作为一种具有应用前景的技术，兼具成本低、易于规模化推广等优势，能够为电池研发、生产制造及实际运行等不同阶段提供有价值的信息。

据麦姆斯咨询报道，德雷塞尔大学、哥伦比亚大学、Liminal Insights、通用汽车研发部的研究人员组成的团队在Joule期刊上发表了题为“Ultrasonic testing in battery research and production”的综述文章，重点介绍超声检测的基本原理及其多样化应用，涵盖从实验室尺度研究到生产制造，再到实际部署后的运行监测等多个环节。除了系统梳理现有电池超声检测文献（包括电池失效模式的声学检测以及不同物理现象的解耦），本文还重点关注电池超声检测领域的新兴方法与应用。例如，超声换能器技术的最新进展有望用于提高电池超声检测分辨率。超声检测不仅可用于电池单体的特性表征，还可用于浆料质量和电极状态的生产线在线监测。最后，本文将实验室尺度的研究与开发同工业规模的在线质量保证和计量检测联系起来。围绕这一目标，本文讨论了当前面临的主要挑战，包括信号处理的复杂性、对大规模数据集的需求，以及对于制造过程和实际部署后的监测应用尤为重要的成本与检测通量问题。通过采用新的信号处理技术、机器学习方法和先进传感器等手段解决上述问题，有望推动超声检测技术在电池领域的工业化应用与规模化推广。

超声产生与测量

超声测量依赖于超声换能器实现电信号与声波之间的相互转换，即将电信号转换为声波，反之亦然。为了优化针对特定被测系统及目标特征的信号采集效果，需要对超声换能器的类型及布置位置进行合理选择（图1A）。在电池系统的超声检测中，主要采用两种测量模式：透射式和脉冲回波式。透射式测量，也简称为透射测量，采用相互独立的发射换能器和接收换能器。两个超声换能器分别布置在电池的两侧，使接收到的信号包含完全穿透电池的透射信号，以及电池内部和表面产生的反射信号。

图1 超声检测实验设置示例

相比之下，脉冲回波式，也称为反射式测量，仅使用一个换能器，既负责发射超声波，也负责接收反射回来的声信号。脉冲回波式测量所获得的数据包含一系列来自电芯内部不同界面的反射信号。通过对这些反射信号进行分离，可以识别和提取电芯内部特定区域或结构特征的信息。

尽管在电池的单个位置开展超声检测也能够获得有价值的信息，但实际研究中也经常需要采集具有空间分辨能力的检测信息（图1B）。在扫描声学显微镜（SAM）中，通常将超声换能器安装在龙门式扫描平台上，通过栅格扫描的方式对电池表面进行逐点扫描，从而获取空间分布信息。数据通常采用透射式或脉冲回波式测量模式进行采集。根据超声换能器、耦合介质及信号处理方法的不同，其空间分辨率可以达到毫米级甚至微米级。

在电池领域的相关研究中，超声换能器阵列通常采用相控阵工作模式（图1C）。其工作原理是：通过调节相邻超声换能器之间的时间延迟，使各换能器发出的超声波相互干涉，从而在整个阵列宽度范围内形成一个统一的声波波前。通过调节各换能器之间的时间延迟，可以改变超声脉冲相对于换能器阵列的传播角度，从而实现超声波束的偏转，使其能够扫描较大范围的区域，而无需在物理位置上移动换能器。由于相控阵具有更高的数据采集速度，因此在电池研究中的应用日益受到关注。这一优势尤其适用于大尺寸电池以及需要快速在线表征的生产场景。目前，相控阵已成功用于监测电池内部缺陷的形成、气体生成以及荷电状态（SoC）。此外，采用微机械加工技术制造的薄膜超声换能器阵列，还能够提供更加紧凑、适合现场部署的解决方案，不过其工作频率通常相对较低。尽管如此，超声换能器阵列所带来的数据复杂性增加以及较高的成本，也可能限制其应用范围。

超声换能器类型

根据换能的物理机制，可以对超声换能器进行分类。不同的换能机制会影响超声波的工作频率、超声波产生与接收的效率，以及换能器与被测样品之间的耦合要求。本综述重点讨论的超声换能器类型如图2A所示，包括：压电晶体超声换能器、电磁声换能器（EMAT）、激光超声换能器以及电容式微机械超声换能器（CMUT）。其中，CMUT技术的一项主要优势在于其与硅（Si）制造工艺具有良好的兼容性，因此能够较为容易地制造大规模CMUT阵列。此外，与压电超声换能器相比，CMUT在液体介质中具有更宽的工作带宽。由于CMUT具有尺寸小、成本低等优势，研究人员已提出将其直接集成到电池监测系统中。不过，目前CMUT在电池领域的相关研究仍然较少，尚未得到充分探索。

图2 超声换能器类型及耦合方式

超声换能器与被测样品之间的耦合方式也是一项重要的设计考量。合理选择耦合介质至关重要，其作用是减少两方面的信号损失：一是超声波在换能器表面发生反射所造成的信号损失；二是由于样品与换能器接触界面存在空气间隙而引起的信号衰减（图2B）。耦合介质可以采用多种形式，具体取决于换能器的耦合方式：对于直接接触式换能器，可以使用凝胶作为耦合介质；对于固体耦合方式，可以使用耦合垫片；对于浸入式换能器，可以使用水或矿物油等液体；对于空气耦合式换能器，则以空气作为耦合介质。

电池检测中的超声信号处理

通过将记录的超声换能器电压信号随时间的变化（该电压与声压成正比）与声波传播过程中的物理机制联系起来（图3A），超声检测能够为理解电池的行为特征提供有价值的信息。

图3 超声波与样品之间的基本相互作用

信号幅值（SA）（图3B）表示接收到的声波幅值，其物理意义取决于所采用的测量模式。在透射式测量中，SA减小意味着声阻抗失配程度增大，导致超声信号的透射强度降低。对于脉冲回波式测量，如果分析的是穿透深度有限的信号，则SA减小意味着声阻抗失配程度降低，即更多超声能量透射通过界面，而反射能量减少。SA这一指标对于缺陷检测尤其有价值，因为新界面的形成会直接影响超声波的反射与透射特性，进而改变接收到的声波幅值。

飞行时间（ToF）是指声波传播所需的时间。该指标与声速以及超声波所穿过区域的有效材料特性直接相关。ToF常用于跟踪材料性质的变化及电池的性能退化，这是因为电池在锂化、脱锂以及性能退化过程中，其体积和弹性特性都会发生变化，进而影响超声波的传播时间。目前，大多数电池超声检测研究关注的是ToF偏移量，而非绝对ToF。具体而言，通过将当前测量得到的ToF与参考波形对应的ToF进行比较，计算两者之间的变化量。

此外，还可以对超声波形进行分解，以获取有关电池内部特定组成部分的更丰富信息。门控（Gating）是其中一种常用方法，即将信号划分为若干具有特定时间范围的片段，并分别在时域和频域对各片段进行独立分析（图3D）。

超声检测技术在电池研究中的应用

将超声检测应用于电池研究，其基本依据在于：电池在充放电循环、性能退化及失效过程中，会发生化学-力学耦合变化。超声检测在电池领域的相关应用包括荷电状态（SoC）与健康状态（SoH）跟踪、气体检测、锂沉积检测及失效分析中的其他应用。

图4 钴酸锂-石墨（LCO-graphite）电芯在循环过程中的ToF变化

图5 电池中气体与锂沉积的超声测量

展望与未来应用

超声检测已成为一种快速、无损的电池表征技术，并在电池制造过程中的在线质量控制方面展现出良好的应用前景。鉴于该技术具有易于获取和应用的优势，超声检测有望在电池研究中得到越来越广泛的常规应用，作为常规电化学表征手段的一种简便、有效的补充。在此基础上，研究人员应重点围绕若干功能方向开展研究，以进一步提升该技术的性能及其对更广泛科研群体的应用价值（图6）。

图6 电池超声检测研究未来发展方向总结

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2026.102402

延伸阅读：

《压电MEMS技术及市场-2025版》

《压电MEMS传感器和执行器对比分析-2025版》

《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》

《掌上超声成像系统iQ3中CMUT传感器产品分析》

《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》

《电容式微机械超声换能器（CMUT）期刊文献检索与分析-2022版》