Page 76 - 《应用声学》2021年第6期

872 2021 年 11 月

0 引言 根据波长公式 v = fλ (式中 v 表示波速，f 表示频
率，λ 表示波长)，可知 1 MHz 的声波在 1 mm 厚的
锂离子电池具有循环性能好、放电容量高、无
锂电池上将激发兰姆波。
记忆性等优点，广泛应用于电子产品、电动汽车、储
在结构中激发兰姆波时，质点的振动是对称模
能等领域 [1] 。随着锂离子电池耗电量的增加以及充
态和非对称模态两种振动的合成运动，对称模态下
电频率的升高，锂离子电池需要更高的充电速度。
的Rayleigh-Lamb方程为
目前基本是通过增大充电电流实现快速充电的，常 ( ) 2
2
tan pd k − q 2
用的充电方法主要有恒流充电法、恒压充电法、恒 = . (1)
2
tan qd 4k pq
流恒压充电法，快速充电法主要有多阶段恒流充电
非对称模态下的Rayleigh-Lamb方程为
法以及脉冲充电法 [2−5] 。虽然快速充电方法在很大
2
tan pd 4k pq
程度上提高了锂离子电池的充电速度，但是极化效 = − 2 . (2)
tan qd (k − q )
2
2
应在充电过程中依然对电池的充电效率、时间、循
式(1) ∼ (2) 中，k 为波数，d 为厚度，p 和q 表达式
2
2
环寿命有着很大的影响。极化现象的存在影响了电
如下：
池的充电效果，因此极化电压的优化研究成为目前 ω 2
2
2
亟待解决的热点课题。Rajagopalan 等 [6] 利用脉冲 p = − k , (3)
c 2 p
充电的方式缓解极化效应，并研究了脉冲充电频率 ω 2
2
2
对于极化现象的影响。卢雅豪等 [7] 基于马斯曲线提 q = 2 − k , (4)
c
s
出间歇交变电流充电法，在充电过程中加入搁置从 其中，ω 为简谐运动的角频率，c p 为纵波波速，c s 为
而缓解极化现象。 横波波速。由式可知，在给定的某一频厚积 fd 下，
然而搁置去极化法降低了锂电池的充电效率， 可能同时存在多个模态的兰姆波，但是在较低的频
负脉冲去极化存在着实现复杂、运行成本高等问题。 厚积下 (LIR1220锂离子电池：fd < 1 MHz·mm) 仅
因此研究人员试图寻找一种成本低廉、易于实现、 存在 A 0 模态和 S 0 模态兰姆波 [10] 。本实验中只激
不影响充电效率的去极化方法，由于兰姆波具有能
发了 A 0 模态和 S 0 模态兰姆波，则兰姆波由电池表
量衰减小、传播距离远等特点，一些学者将其应用
面辐射入电解液内时产生声流力，详述如下。
到电池研究中。Tietze等 [8] 利用兰姆波扰动锂电池
基于不可压缩流体动量守恒定理，电解质在扩
阳极附近的边界层，促进离子传质从而实现电流的
散过程中满足纳维-斯托克斯方程：
声学增强。Huang等 [9] 在利用兰姆波驱动电解质流 ∂u
ρ + ρ (u · ∇) u
动的实验中，发现了兰姆波缓解锂金属电池极化效 ∂t
[ ( )]
应的现象，但实验对于影响兰姆波去极化的因素关 = F S + ∇ · −pI + u ∇u + (∇u) T , (5)
注较少。
∇ · u = 0, (6)
本文在表面声波缓解极化效应的基础上，应用
兰姆波装置探究各因素对于缓解极化的影响。本实 其中：ρ 为电解液密度，u 为声流速度，F S 为声流
验利用压电陶瓷进行逆压电效应，在 LIR1220 锂离 力，µ 为电解液的黏度，I 为单位对角矩阵。基于
子电池上激发兰姆波以产生声流力，打破锂离子浓 Nyborg [11] 的声流理论以及 Shiokawa 等 [12] 的推
度梯度从而缓解极化效应。实验中设置了兰姆波的 导，电解液内的声流力F S 可表示为
(
激发频率和激发强度两个变量并进行控制变量的 F S = − ρ 1 + α 2 ) 3/2 2 2
1 A ω k imag
实验，通过相关实验分析出锂电池极化电压优化值 × exp 2 (k imag x + α 1 k imag z) , (7)
与相关因素的关系。
式(7)中：α 1 为衰减系数，A为兰姆波幅值，ω 为角频

1 理论分析 率，k imag 为兰姆波在电解液内的能量消耗系数。
锂电池在充电过程中，锂离子从正极向负极扩
1.1 兰姆波声学理论 散运动。随着时间的推移，电池内部锂离子浓度不
在边界自由的弹性薄板上，薄板的厚度与板上 平衡 [13] ，两极之间出现浓度梯度 [14] ，从而导致两极
传播的声波的波长在同一数量级时将激发兰姆波。 电位偏离平衡。利用兰姆波辐射入电解液内产生声