提高电池的性能和效率是能够更广泛地使用电动汽车，和有效地使用间歇性可再生能源的关键，但这需要对电池的基本机制进行更全面的了解和检测。
不幸的是，从电池被密封的那一刻起，直到其使用寿命结束，它仍然是一个“黑匣子”，研究者对商业化电池健康状况的了解仅限于电池甚至模块级别的电流、电压、温度和阻抗测量，从而过度依赖不完善的数据来建立一个保守的安全阈值。
随着研究不断发展，能够在现实条件下跟踪商业化电池特性的原位表征技术已经解锁了大量的化学、热和机械数据，这些数据有可能彻底改变基于锂离子电池的设备开发和利用策略。
基于此，美国加州大学圣地亚哥分校孟颖（Ying Shirley Meng）教授团队总结了无损表征技术的最新进展，包括电传感器、光纤、声学换能器、基于X射线的成像和热成像（红外热像仪或量热仪），以及它们在提高研究者对降解机制的理解、减少时间和成本以及提高电池性能方面的潜力，并在其三个主要使用寿命阶段提高电池性能（在制造过程中、在其使用期间，以及在其使用寿命的最后阶段）。相关研究成果近期已发表在Nature Reviews Electrical Engineering上。
电池制造中的无损表征技术 1电池组装 一旦电极制造完成，负极和正极在干燥的房间中组装成一个电极堆栈。值得注意的是，隔膜必须确保电极完全被覆盖，不起皱或撕裂，以防止孔、撕裂或错误折叠等缺陷。由于传统的基于电池电气测试的电化学方法所能提供的信息有限，可以利用计算机来评估新工艺对组装和包装质量的影响，而无需拆卸。 2电池润湿
电池制造中的电解液填充过程包括注入和润湿两个阶段，将适量的电解液引入电池，确保电池材料中所有孔的完全润湿，确保电流分布均匀，通常使用电化学技术进行表征。例如，EIS测量的高频（>105 Hz）阻抗与电解液中Li+通过电极和隔膜的扩散直接相关，并且可以直接与电池的润湿状态有关。此外，开路电压和电接触阻抗测量已被用于将润湿状态与阻抗变化联系起来。值得注意的是，超声波在未充分湿润的电极或隔膜中表现出更高的衰减，这使得声学传感成为润湿监测的首选方法。
3电池活化循环
图2 基于电池组装、电池润湿和形成循环的无损检测技术
电动汽车中的无损表征技术 1BMS
监测和调节充电、放电、温度和整体健康状况，以确保电池安全高效运行。当前的BMS依赖于对电池组水平上的电流、电压和外部温度的不精确测量，这无法检测到单个电池的降解（图3a）。
2热管理
温度的变化是影响电池退化的主要因素之一。高温将会加速电解液分解和SEI生长，导致阻抗增加，容量退化和更高的热。相反，较低的温度会导致锂金属沉积，从而有可能导致内部短路。准确的温度监测对于检测这种情况至关重要，但当前的准确性和灵敏度较差。FBG传感器能够提供实时温度读数，抗电磁干扰，结构紧凑，由于其介电特性，适合用于具有挑战性的环境。此外，将多个FBG传感器集成到一根光纤中，每个传感器反射特定波长的光，有助于监测电池组中单独的单元和位置（图3d）。
3机械管理
电极体积的变化，电解液分解导致气体形成或电池组的机械滥用会导致缺陷和热失控。因此，机械管理与电气和热管理一样重要。
为了增强BMS，电池内外的温度和机械传感器的集成，提供了一个实现早期监测降解的机会。这些数据可以使电池制造商采取预防措施，如维修或更换电池，减少用户的潜在安全风险。此外，这些测量还可以通过提供对电池健康状况的准确评估来延长电池寿命。
使用后电池的寿命评估 1退役电池二次应用的评估
人们对电池老化过程中的退化现象知之甚少，这可能会影响电池的安全。例如，在一定的循环条件下，锂离子可以还原为石墨负极表面的锂金属，形成不均匀的锂沉积，可能导致内部短路和安全危险。
2电化学性能评价
通常会进行电化学测试，包括开路电压、内电阻和容量测量。同时，EIS还可用于测量电池的欧姆阻抗、电荷转移阻抗、扩散、电极退化和健康状态。
3成像技术
无损检测面临的挑战
在整个生命周期中，电池会经历电化学和化学副反应，如SEI形成、电解液分解、锂沉积、枝晶形成和物理结构变化，包括颗粒裂解、破碎和分层。电池的无损特性对于电池在使用过程中的实时监测至关重要，其能够实现优化、安全和寿命改进，同时支持第二寿命应用和回收工作。然而，电池特性无损表征面临着一系列挑战，提出多种要求是必要的：
(1) 电池级监测：为了提供关于单个电池更精确的信息，监测应在电池级进行，而不是在包装级进行；
(2) 操作评估：检测技术必须在操作条件下实时监测电池在实际使用过程中的行为。例如，EIS不能被视为一种操作技术；
(3) 成本：无损表征的成本是其实施的一个关键参数，也可能是采用X射线断层扫描等昂贵技术的障碍；
(4) 测量的准确性和对外部的灵敏度：如何实现准确检测，以及外部因素（温度或振动）如何影响测量；
(5) 集成到生产线或电动汽车中。
1电池建模
对于短期应用，无损表征在电池方面起着关键作用，通过实时数据和预测模型来复制物理电池的行为和性能，实现电池系统的精确监控和优化。
2下一代电池
无损表征电池特性也将在促进开发和促进下一代电池的全球普及方面发挥关键作用。例如，金属锂金属电池被认为是下一代电池（无论是液态电池还是固态电池）。
3电池护照立法 在欧洲，电池寿命周期监测已经成为现实。欧洲理事会最近通过的新法规旨在加强电池的可持续性规则，包括强制对所有电动汽车电池发放电池护照。这些措施的目标是通过寿命结束要求促进循环经济，并确保改善电池和安全的工作条件，同时解决公平竞争和消费者信息问题。这些举措鼓励学术界和工业界之间的合作，开发针对商业电池的新型非破坏性表征技术。
