电池在现代生活中无处不在，无论是智能手机、可穿戴设备，还是电动车与航空航天设备，电池都是提供动力的关键。然而，随着电池应用范围的扩大，其安全性、性能和寿命问题日益受到关注。
制造过程中的缺陷、使用中的热失控、容量衰减及锂枝晶生长等问题，不仅影响电池的性能，还可能带来安全隐患。为保障电池的可靠性，准确监测其内部状态尤为重要。
然而，传统诊断技术往往需要破坏性操作或无法实时获取电池内部动态信息，难以满足现代应用的需求，急需新型检测技术的突破。
在这一背景下，由华南理工大学材料科学与工程学院刘军教授团队近期在Advanced Energy Materials上发表了一篇题为《Magnetic Field-based Non-destructive Testing Techniques for Battery Diagnostics》的综述，系统总结了磁场无损检测技术在电池诊断领域的应用进展，深入剖析了当前的挑战和未来的方向，为推动电池诊断技术的进一步发展提供了宝贵参考。
磁场无损检测技术的发展历史
通过检测原子核在磁场中的共振信号，NMR可以分析电池材料中锂离子的分布、扩散和界面反应。这为优化材料设计和延长电池寿命提供了重要依据。MRI则能够对锂离子电池的内部结构进行三维成像，揭示了锂离子分布和动态迁移的过程。研究表明，调整样品与磁场的配合可以显著提高成像质量，为研究电极材料和电解液的相互作用提供了新工具。作为一种低成本且适用于商业电池的技术，MFI通过检测电流产生的磁场，重构电池内部电流分布，分析制造缺陷与性能不均问题。不同实验装置示意图：a）核磁共振；b,c）MRI；d）MFI
石墨负极：磁场技术被用于研究锂离子在石墨中的嵌入和脱嵌过程，揭示了其扩散行为和相变规律。NMR和MRI的结合，更是实现了石墨负极充放电过程的实时可视化，为提升快充性能提供了理论支持。硅负极：作为下一代负极材料，硅负极因其高理论容量受到广泛关注。通过核磁技术，研究揭示了硅负极在快速充电条件下的结构演变和锂硅合金的形成机理，为硅材料的优化提供了重要数据支撑。锂金属负极：磁场技术能够以三维成像的方式观察锂枝晶的生长过程，定量分析其对电池安全性的影响，为解决锂枝晶问题提供了全新视角。
钴酸锂（LCO）：核磁技术通过监测锂离子的嵌入和提取过程，揭示了LCO在高电压下的结构变化，为提升其能量密度和循环稳定性提供了关键信息。
磷酸铁锂（LFP）和三元材料（NCM）：文章探讨了磁场技术在研究掺杂改性对这些正极材料电化学性能提升中的应用，为高性能正极材料的设计提供了新思路。
液态和固态电解质中的锂离子迁移行为是影响电池性能的关键因素。磁共振技术能够精确捕捉电解质中离子的扩散路径和浓度变化，揭示了极化现象和传输效率的优化方向，为开发新型电解质和提升其兼容性奠定了理论基础。磁场无损检测技术在电池制造、检测与维护中的应用潜力巨大。文章提到，通过构建磁场数据与电流分布的模型，可以预测电池内部缺陷并优化设计。此外，研究还展示了如何在工业生产中使用磁场传感器阵列实时检测电池的磁场变化，从而实现对电流分布的可视化分析。
a）软包电池电流分布的模拟；b）在放电深度（DOD）为5%的3C倍率放电期间，从建议的分析模型获得的负极和正极上的电位分布
a）成像系统模式示意图；b）电池测量前、循环100次和200次循环测试后的磁场图像和电导率分布图像；c）不同SOC下放电（负电流）和充电（正电流）期间的磁场图和直方图；d）SOC=0%和10%的阴极锂化梯度
a）磁场干扰下MFI检测实验方案示意图；b）接线片连接故障、电极错位和电极堆叠故障示意图；c）对正常电池和具有特定缺陷的电池进行分类所得的分析结果；d）不同缺陷的磁场图尽管磁场无损检测技术在电池诊断领域展现了巨大潜力，但其全面应用仍面临诸多挑战。未来的发展方向将聚焦于提升技术的灵敏度与分辨率，同时推动设备小型化与成本优化。此外，多模态技术的结合、人工智能的引入，以及在更复杂电池系统中的适配与应用，将进一步拓展其边界。随着研究的深入与技术的进步，磁场无损检测有望在电池的性能优化、安全性提升和寿命预测中发挥不可或缺的作用，为新能源电池的未来发展奠定坚实基础。
磁场无损检测技术的未来发展
