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工業(yè)CT在圓柱形鋰離子電池?zé)o損檢測與充放電原位解析中的應(yīng)用
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工業(yè)CT技術(shù)的優(yōu)勢
★無損檢測：工業(yè)CT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損觀察。
★精確測量：可以精確測量電極間的距離，并觀察正極/負(fù)極端子引線的連接狀態(tài)。
★動態(tài)監(jiān)測：連接充放電裝置后，能在充放電后觀察電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。
概述
鋰電池作為一種通過鋰離子在正負(fù)極間移動實現(xiàn)充放電的二次電池，以其低成本和高能量密度在智能手機(jī)、筆記本電腦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著電動汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，各廠商正致力于研發(fā)更持久的電池技術(shù)以延長續(xù)航能力。除了續(xù)航能力，安全性也是鋰電池的重要考量因素。制造缺陷，如異物混入和卷繞異常，可能導(dǎo)致短路，引發(fā)火災(zāi)和爆炸。因此，制造條件的設(shè)定和生產(chǎn)檢測至關(guān)重要。X射線CT系統(tǒng)是實現(xiàn)這些目標(biāo)的有效工具。
本文介紹了使用X射線CT系統(tǒng)并連接充放電裝置對柱狀鋰電池進(jìn)行解析的案例。
圖1 微焦點X射線CT系統(tǒng)inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus
圓柱形鋰電池的透視分析
圖2展示了21700型鋰電池單體的透視圖像，其對比度取決于材料對X射線的吸收差異。透視檢查是一種快速觀察電池內(nèi)部形態(tài)的方法。如圖3所示，電極由負(fù)極、正極和隔膜組成，按照特定順序排列。
圓柱形鋰電池的X射線CT掃描
X射線CT提供了對鋰電池更深入的分析能力。圖4展示了21700型鋰電池的橫斷面圖像，圖5則為3D圖像。橫斷面圖像中可以清晰區(qū)分負(fù)極和正極以及極耳，而3D圖像則允許部分提取或選擇性顯示特定材料以觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖4 21700鋰電池的橫斷面圖像
圖5 21700鋰電池內(nèi)部的3D圖像
圖6為21700型鋰電池的橫斷面圖像。展開位置如圖6-A中的紫色線所示，展開的圓柱體橫斷面圖像如圖6-B所示，可見極耳，放大后可以觀察到其節(jié)點結(jié)構(gòu)。除了垂直和水平橫截面觀察外，還可以沿著柱狀表面進(jìn)行觀察，因此，可以觀察到電極在軋制前的狀態(tài)。
A表示展開位置 B未卷繞橫斷面圖像
圖6 21700 鋰電池的未卷繞橫斷面圖像
電極間距離的精確測量
圖7和表1展示了電極間各種距離的測量結(jié)果。除了直接測量橫斷面圖像上的長度，如圖8所示，正負(fù)極的間距也可以從灰度值的輪廓線中測量得出。
圖7 電極間距離測量結(jié)果
表1 電極間高度和寬度測量結(jié)果
A：線輪廓線A B：線輪廓線B
圖8基于灰度值線輪廓的距離測量結(jié)果
充放電裝置
鋰電池在充放電過程中會發(fā)生一系列物化反應(yīng)，導(dǎo)致電池老化。研發(fā)過程中需要評估電池壽命和老化程度，觀察電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。本裝置允許在充放電過程中進(jìn)行CT掃描，也可以連接到用戶自行準(zhǔn)備的充放電設(shè)備上。
*3 X射線CT的主要規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus相同。
圖9 inspeXio™SMX™-225CT FPD HR Plus，充放電連接系統(tǒng)（示意圖）
充放電后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化
圖10展示了18650型鋰電池在充放電測試前后的橫斷面圖像。測試后的圖像中，紅色框指示的部分顯示了電極的變形，表明即使外觀無變化，內(nèi)部電極也可能發(fā)生變形。
通過X射線CT系統(tǒng)可以無損地觀察到電池的內(nèi)部狀態(tài)。
圖10 18650型鋰電池的橫斷面圖像
結(jié)論
本文介紹了使用X射線CT系統(tǒng)并連接充放電系統(tǒng)對圓柱形鋰電池進(jìn)行分析的案例。X射線透視適合快速簡單的觀察和檢查，而X射線CT系統(tǒng)則能提供更詳細(xì)的內(nèi)部狀態(tài)觀察和分析，包括測量電極間距離和觀察極耳連接部。通過定制的充放電裝置，可以原位觀察電極的變形過程。因此，CT系統(tǒng)在研發(fā)、工藝制定和檢測中扮演著重要角色。
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