近年來(lái)，新能源汽車(chē)屢屢發(fā)生起火、自燃等動(dòng)力電池安全事故，提升動(dòng)力電池安全迫在眉睫。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，動(dòng)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，上篇中，我們展示了島津CT在正極材料和負(fù)極材料觀測(cè)方面的應(yīng)用。本篇我們將展示島津CT觀測(cè)各種成品電池和對(duì)電池原位充放電的實(shí)時(shí)觀察。

成品動(dòng)力鋰電池CT的觀察

在成品動(dòng)力鋰電池檢查中，CT檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)動(dòng)力鋰電池內(nèi)部缺陷，比如內(nèi)部雜質(zhì)、正負(fù)極扭曲變形、正負(fù)極片短路和正負(fù)極片的斷裂等不良。在長(zhǎng)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(chē)自燃和爆炸。

島津SMX-225CT FPD HR Plus微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng)

CT檢測(cè)是失效分析和產(chǎn)品工藝優(yōu)化及品質(zhì)控制的重要手段。通過(guò)對(duì)失效的動(dòng)力鋰電池進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，在不破壞失效動(dòng)力鋰電池結(jié)構(gòu)的情況下獲得真正失效原因。通過(guò)對(duì)動(dòng)力鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察及尺寸測(cè)量，可以優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高品質(zhì)。

n 電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)及缺陷觀察

目前動(dòng)力鋰電池電芯生產(chǎn)主要有卷繞和疊片兩種制造工藝，對(duì)應(yīng)的動(dòng)力鋰電池結(jié)構(gòu)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(chǎn)，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(yùn)用CT對(duì)18650動(dòng)力鋰電池檢測(cè)可觀察內(nèi)部正負(fù)極及隔離膜，因此內(nèi)部變形及金屬雜質(zhì)可以清晰地被檢測(cè)到。通過(guò)對(duì)正極極片展開(kāi)，可觀察到極片上的孔隙。圖1給出了18650動(dòng)力鋰電池的CT圖像。

圖1 18650動(dòng)力鋰電池CT圖像

圖2是方形動(dòng)力鋰電池的CT掃描圖像，外形尺寸為L(zhǎng)150mm´W100mm´H26mm。

通過(guò)掃描半電池可以清晰地看到電池正負(fù)極片和雜質(zhì)以及激光焊接部位的孔隙。甚至有機(jī)質(zhì)的隔離膜也能夠被觀察到。

圖2 方形動(dòng)力鋰電池CT圖像

軟包疊片動(dòng)力鋰電池的常見(jiàn)缺陷為極片開(kāi)裂破損、有雜質(zhì)及當(dāng)封入外殼時(shí)負(fù)極變形等，CT檢測(cè)是此缺陷觀察必要手段。如圖3所示。

圖3 軟包疊片動(dòng)力鋰電池CT圖像

n 電池內(nèi)部尺寸測(cè)量

在電池生產(chǎn)中，尺寸質(zhì)量控制的要求變得越來(lái)越復(fù)雜，無(wú)法使用傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，更不可能對(duì)電池進(jìn)行切割或破壞后再進(jìn)行檢測(cè)。此時(shí)，需要使用微焦點(diǎn)CT對(duì)電池內(nèi)部缺陷及結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸測(cè)量。從而能夠評(píng)估產(chǎn)品制造過(guò)程和優(yōu)化產(chǎn)品。

圖4是18650動(dòng)力鋰電池在空電和滿電狀態(tài)下的電芯尺寸測(cè)試，通過(guò)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(duì)電池研發(fā)人員設(shè)計(jì)很有幫助。

圖4 18650動(dòng)力鋰電池空電和滿電狀態(tài)電芯尺寸測(cè)量

在方形動(dòng)力鋰電池中，滿電時(shí)的極片厚度尺寸測(cè)量、正負(fù)極對(duì)齊測(cè)量和封裝時(shí)電芯與外殼的距離等這些尺寸對(duì)電池生產(chǎn)廠家都有很重要的參考意義，如圖5所示。

圖5 方形動(dòng)力鋰電池尺寸測(cè)量

圖6給出了軟包動(dòng)力鋰電池中的孔隙及金屬雜質(zhì)尺寸測(cè)量，這些缺陷都可能會(huì)引起電池起火或自燃。

圖6 軟包動(dòng)力鋰電池尺寸測(cè)量

n 電池原位充放電循環(huán)中的CT觀察

通過(guò)對(duì)原位動(dòng)力鋰電池充放電試驗(yàn)，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(diǎn)CT作為對(duì)動(dòng)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(dòng)力鋰電池在不同狀態(tài)下內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，為研發(fā)及生產(chǎn)制造提供數(shù)據(jù)。

圖7從2D截面圖像和3D圖像示出了100次、500次、1000次、1500次動(dòng)力鋰電池的充放電試驗(yàn)CT測(cè)試圖像。從而觀察到隨著充放電次數(shù)的增加，動(dòng)力鋰電池由于內(nèi)部產(chǎn)生的惰性氣體的釋放而不斷膨脹。

圖7 動(dòng)力鋰電池充放電實(shí)驗(yàn)CT觀察

通過(guò)以上案例展示，島津X射線微焦點(diǎn)CT不僅可以觀察動(dòng)力鋰電池正負(fù)極片材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，還可以觀察成品動(dòng)力鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及缺陷。結(jié)合尺寸測(cè)量定量分析，為動(dòng)力鋰電池研發(fā)設(shè)計(jì)者及生產(chǎn)制造商提供幫助，優(yōu)化生產(chǎn)流程及制造工藝，為新能源汽車(chē)提供安全保障。