通过CT技术对锂离子动力电池单体的各项内部结构特征进行分析

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#111723#盘算机断层扫描(CT)技巧重要利用于医学范畴，对人体外部的安康状况停止检测。跟着相干技巧，特别是射线源和检测安装辨别率的开展，微米级X射线盘算机断层扫描技巧在地质勘察、生物仿生和资料迷信等范畴逐渐利用。  通过对测试样品停止外部构造的片面扫描，依据外部构造的密度差别构成对照度差别的断层图象，从而正确控制样品外部的孔隙、搀杂、裂纹以及为资料微观构造的三维空间的数目、体积分数、散布等信息，有益于剖析资料的缺点信息与力学机能的关联，分辨缺点在资料生效中的感化，进而辅助停止生效机理的 研讨以优化和改良资料的制备工艺。  本文通过盘算机断层扫描技巧，针对以后锂离子能源电池行业所亲密存眷的电池寿命成绩和保险成绩，对锂离子能源电池单体的各项外部构造特点停止了剖析。在电池老化水平方面，具体对照了经由差别周期轮回后的电池团体外部构造的演化；在电池保险隐患方面，针对电极断裂、电极褶皱、极片对齐度和外部异物等成绩在盘算机断层扫描图象中的特点停止了剖析，并对经由保险性实验后的电池外部构造停止了剖析。 一、实验方式和技巧参数1.1 实验方式图1为X射线盘算机断层扫描实验照片。左边为Ｘ射线源，中部为测试样品台，右边为探测器。这3个要害部件均处于屏障铅房外部，以确保在测试进程中，实验职员不会遭到Ｘ射线的辐射影响。

图1X射线盘算机断层扫描实验照片 图2为扫描安装道理表示图。如图2(ａ)所示，X射线从射线源发射，穿透测试样品后由探测器中的成像单位接受透过的X射线，转化为数字信号后在盘算机中表现图象。18650型锂离子电池取得的盘算机断层扫描图象如图2(ｂ)和 图2(ｃ)所示。图2(ｂ)是电池的横截面图象示例，从图中可能清楚地视察到电池外部的卷绕构造。图2(ｃ)是电池的纵截面图象示例，从图中可能视察到电池构造的团体规整度。

图2 X射线盘算机断层扫描安装表示图和扫描成果示例1.2 技巧参数 本文所停止的X射线断层扫描剖析采取天津三英精细仪器股分无限公司nanoVoxel-4000盘算机断层扫描体系。在测试进程中，X射线源电压设置为225kV，辨别率为2μｍ；X射线探测器成像面积为244ｍｍ×196ｍｍ，成像范畴为300ｍｍ×450ｍｍ(直径 ×高度)。X射线盘算机断层扫描测尝尝验前提如表1所示。表1X射线盘算机断层扫描测尝尝验前提

二、 成果和探讨2.1 能源电池单体老化水平无损检测为探索能源电池在经由长周期轮回后外部构造的演化情形，将1＃样品在2C倍率下停止充放电轮回，并在轮回必定周数后停息实验，放电至空电后对电池停止盘算机断层扫描，剖析其外部构造的变更。图3为测试样品盘算机断层扫描纵截面图象。图3(ａ)～(ｄ)分辨对应新电池、轮回周期为500、1000和2000周的电池。未经由轮回的电池外部构造十分规整(图3(ａ))，可能视察到层状的卷绕电极以及电池中心的缝隙。轮回至500周(图3(ｂ))时，可能视察到外部电极发生显明突出，突出重要会合于电池底部。轮回至1000周时一侧电极的底端和上端均呈现了突出，轮回至2000周时一侧突出衔接在一同，构成了更大的突出，并在电极另一侧发生较小突出。

图3样品经由差别轮回次数后的CT扫描图象(纵向截面) 图4为测试样品盘算机断层扫描横截面图象。图4(ａ)～(ｄ)分辨对应新电池、轮回周期为500、1000和2000周的电池。在电池样品的横截面图中可能更好地视察到电池外部电极的卷绕构造，电池外部在轮回进程中的形变也能够通过电池核心缝隙的变更表现出来。如图4(ａ)所示，电池核心缝隙呈规矩的圆形，而跟着轮回的停止，圆形逐步凹陷，在轮回2000周后盘踞了电池核心2/3以上的面积，一样阐明了跟着轮回的停止，样品外部构造呈现了明显的形变。电极外部的大幅度形变会致使电池正负极分别，无效电化学反映面积减小，容量衰减，并存在产生内短路的隐患。

图4样品经由差别轮回次数后的CT扫描图象(横向截面)2.2 能源电池单体保险隐患无损检测2,2.1 构造断裂能源电池会因为出厂缺点或充放电应用进程致使电极构造产生断裂。电极的断裂个别会呈现在电池外部电极的弯折点，比方圆柱电池卷绕电芯的内侧，软包和方壳电池卷绕和重叠电极的内侧。图5是对某款方形硬壳电池外部电极停止的CT扫描图象。从图5(ａ)(ｂ)都可能视察到清楚的正负极层状构造，对照度高的层对应正极极片，对照度低的层对应负极极片。

图5能源电池电极构造断裂检测 图5(ｂ)是将电极另一处呈现构造断裂的部份停止缩小的CT图象。如图中箭头唆使，在电极曲折部份的靠内4层，能够视察到色彩较暗的点，标明该点电极密度比拟于四周更低，即发生了电极构造断裂，断裂间隔约为0.13ｍｍ。电极断裂会使断裂点邻近的微观构造电衔接水平异于其余地区，在充放电进程中会致使电流密度散布不均，形成微量的产热不均和容量丧失。因为电极在轮回进程中会发生形变，电极的断裂水平有可能因为电极团体形变而扩展，这一假定须要进一步比对验证来证实。  2.2.2 电极褶皱在能源电池外部，电极能否产生褶皱能够表征电池外部构造的团体规整程度，与电池的出厂水平和电池的应用水平相干。图6(ａ)和图6(ｂ) 是对于2只同型号方形硬壳电池停止CT扫描的成果。能够视察到，图6(ａ)中电极在平铺和曲折的地区每一层均表示出较高的分歧性，电池卷绕中心的缝隙也显现直线型，规整度较高；从图6(ｂ)中能够显明视察到，部份电极存在褶皱，电极团体显现曲折状况。

图6 能源电池电极褶皱检测 图6(ｃ)是褶皱水平最大地区的细节图象。最大的褶皱长度约为10ｍｍ，褶皱弧度约150°，如图6(ｃ)中的圆形所示，褶皱的呈现致使了电极外部正负极之间呈现缝隙，下降了电池正负极的无效打仗面积，会在应用进程中 影响电极的反映活性，并增添电池产生内短路的危险。因为褶皱发生的电池外部缝隙也会影响电池的容量和内阻，进而影响其产热忱况，增添电池模块或体系中单体的分歧性差别。  2.2.3 极片对齐度电池的极片对齐度差别重要是因为电池出厂 时的工艺程度形成的。对齐度较差的极片会致使正极和负极的错误称，不但会形成部份容量丧失，还会增添电池产生内短路的危险。如对统一型号的多块方壳电池停止扫描，此中对齐度差别的电极地区如图7所示。


图7 能源电池极片对齐度检测 图中对照度较高的地区为正极，对照度较低的地区为负极。如图中红线所示，以2个扫描地区中长度雷同的电极其基准，盘算每一条正极极片与基准电极的绝对长度，如图7(ｃ)所示。失掉图7(ａ)中正极极片的绝对长度尺度差为294.38μｍ，图7(ｂ)中正极极片的长度差别均匀值为810.01μｍ。成果标明，图7(ｂ)中正极极片的对齐度要明显差于图7(ａ)。极片对齐度的差别不但会致使电极末了因为正负极打仗面的增加下降容量，额定凸起的正负极还会有发生内短路的可能性。当电池产生振动、碰撞、跌落 时，对齐度差的电池更有可能因为正负极直接打仗而发生内短路，大批放热。 2.2.4 电池内异物电池外部异物重要是因为电池出厂的工艺缺点形成的。因为CT扫描技巧对于密度高的资料敏感，可能检测到的重要是金属异物。如图8所示，图8(ａ)中检测到的是电极中的金属异物，在电极中可能视察到粒径约100μｍ×200μｍ的高对照度点，地位处于电池中的2层电极之间，如图中箭头所示。电极中的异物在电池应用进程中很可能形成微区温渡过高，发生保险隐患。图8(ｂ)是电池密封圈中存在异物的图象，异物粒径约为100μｍ。密封圈中的异物可能会致使电池密封不严，在应用进程中发生电解液泄露的隐患。

图8 能源电池外部异物检测2.3 能源电池单体保险性实验后外部构造剖析2.3.1 电保险实验图9是某款18650电池停止过放电测试前后的CT图象。图9(ａ)是未经由过放电的空电电池横截面和纵截面图象，能够视察到电池外部显现规整的正负极卷绕构造。图9(ｂ)是该电池经由1C过放电至150％DOD，并经由1次充-放电至空电。通过CT图象能够视察到，电池的团体卷绕构造坚持较为完全，但能够看到呈现渺小的毛刺，这是电池在过放电进程中正极产生铜溶呈现象致使的。另外，通过丈量正负极的厚度，发明在阅历过放电后，正极厚度从102.7μｍ增添到182.1μｍ，负极厚度从175.2μｍ增添到 198.6μｍ，标明电极在过放电进程中产生了增厚景象。

图9 能源电池过放电保险性实验前后CT检测2.3.2 机器保险实验图10是某款15650电池停止针刺测试后的CT图象。能够显明地视察到针刺对电池外部构造形成了重大的影响，穿刺孔清楚可见，电池外部团体构造显现云雾状，这是因为针刺进程电池产生热失控发生低温和焚烧致使的。图10(ｂ)是针刺后电池的横截面图象，能够看到因为针刺经由电池外部，发生的感化力对电池外部的团体构造都形成了形变。

图10 能源电池针刺测试后电池的CT图象 三、论断 本文的研讨结果可为现有能源电池的出产、保护和检测供给技巧支持，下一步将针对盘算机断层扫描的剖析成果停止更深档次的数据处置，实现老化水平和保险性的量化评估。
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原文题目：详解盘算机断层扫描技巧(CT)在锂离子电池检测中的利用研讨
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