島津CT助力鋰離子動力電池檢測(下)
發(fā)布時間:2021-08-06 閱讀次數(shù)：808次
近年來，新能源汽車屢屢發(fā)生起火、自燃等動力電池安全事故，提升動力電池安全迫在眉睫。經過多年的發(fā)展，動力電池從最初的圓柱電池，發(fā)展到方形、軟包電池，容量提升，形式多樣。
上篇中，我們展示了島津CT在正極材料和負極材料觀測方面的應用。本篇我們將展示島津CT觀測各種成品電池和對電池原位充放電的實時觀察。
成品動力鋰電池CT的觀察
在成品動力鋰電池檢查中，CT檢測可以發(fā)現(xiàn)動力鋰電池內部缺陷，比如內部雜質、正負極扭曲變形、正負極片短路和正負極片的斷裂等不良。在長期充放電使用及激烈碰撞后，這些不良容易造成電池短路，甚至可能造成新能源汽車自燃和爆炸。
島津SMX-225CT FPD HR Plus微焦點X射線CT系統(tǒng)
CT檢測是失效分析和產品工藝優(yōu)化及品質控制的重要手段。通過對失效的動力鋰電池進行無損檢測，在不破壞失效動力鋰電池結構的情況下獲得真正失效原因。通過對動力鋰電池的內部結構觀察及尺寸測量，可以優(yōu)化生產工藝、提高品質。
電池內部結構及缺陷觀察
目前動力鋰電池電芯生產主要有卷繞和疊片兩種制造工藝，對應的動力鋰電池結構形式主要為圓柱和方形、軟包三種，圓柱和方形鋰電池主要采用卷繞工藝生產，軟包鋰電池則主要采用疊片工藝制造。圓柱鋰電池主要以18650為主，方形鋰電池外殼采用硬鋁殼包裝，而軟包鋰電池采用鋁塑料包裝。
運用CT對18650動力鋰電池檢測可觀察內部正負極及隔離膜，因此內部變形及金屬雜質可以清晰地被檢測到。通過對正極極片展開，可觀察到極片上的孔隙。圖1給出了18650動力鋰電池的CT圖像。
圖1 18650動力鋰電池CT圖像
圖2是方形動力鋰電池的CT掃描圖像，外形尺寸為L150mm′W100mm′H26mm。
通過掃描半電池可以清晰地看到電池正負極片和雜質以及激光焊接部位的孔隙。甚至有機質的隔離膜也能夠被觀察到。
圖2 方形動力鋰電池CT圖像
軟包疊片動力鋰電池的常見缺陷為極片開裂破損、有雜質及當封入外殼時負極變形等，CT檢測是此缺陷觀察必要手段。如圖3所示。
圖3 軟包疊片動力鋰電池CT圖像
電池內部尺寸測量
在電池生產中，尺寸質量控制的要求變得越來越復雜，無法使用傳統(tǒng)的測量技術進行測量，更不可能對電池進行切割或破壞后再進行檢測。此時，需要使用微焦點CT對電池內部缺陷及結構進行尺寸測量。從而能夠評估產品制造過程和優(yōu)化產品。
圖4是18650動力鋰電池在空電和滿電狀態(tài)下的電芯尺寸測試，通過比較發(fā)現(xiàn)滿電狀態(tài)比空電狀態(tài)下的電芯尺寸膨脹了約0.2mm。這對電池研發(fā)人員設計很有幫助。
圖4 18650動力鋰電池空電和滿電狀態(tài)電芯尺寸測量
在方形動力鋰電池中，滿電時的極片厚度尺寸測量、正負極對齊測量和封裝時電芯與外殼的距離等這些尺寸對電池生產廠家都有很重要的參考意義，如圖5所示。
圖5 方形動力鋰電池尺寸測量
圖6給出了軟包動力鋰電池中的孔隙及金屬雜質尺寸測量，這些缺陷都可能會引起電池起火或自燃。
圖6 軟包動力鋰電池尺寸測量
電池原位充放電循環(huán)中的CT觀察
通過對原位動力鋰電池充放電試驗，可以觀察電池在循環(huán)充放電情況下的狀態(tài)。X射線微焦點CT作為對動力鋰電池充放電循環(huán)檢查的重要一環(huán)，可以直觀觀察動力鋰電池在不同狀態(tài)下內部結構的變化，為研發(fā)及生產制造提供數(shù)據。
圖7從2D截面圖像和3D圖像示出了100次、500次、1000次、1500次動力鋰電池的充放電試驗CT測試圖像。從而觀察到隨著充放電次數(shù)的增加，動力鋰電池由于內部產生的惰性氣體的釋放而不斷膨脹。
圖7 動力鋰電池充放電實驗CT觀察
通過以上案例展示，島津X射線微焦點CT不僅可以觀察動力鋰電池正負極片材料內部微觀結構，還可以觀察成品動力鋰電池的內部結構及缺陷。結合尺寸測量定量分析，為動力鋰電池研發(fā)設計者及生產制造商提供幫助，優(yōu)化生產流程及制造工藝，為新能源汽車提供安全保障。