郝 浩 淼

（清華大學(xué)，北京 100084）

我國可持續(xù)發(fā)展過程中最值得注意的問題就是能源和環(huán)境保護(hù)問題。就目前來看，全球過度的開采、排放污染、消耗造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，經(jīng)濟(jì)發(fā)展越迅速的行業(yè)帶來的環(huán)境污染越嚴(yán)重。近年來交通運(yùn)輸行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅速，隨之而來的是化石能源短缺和尾氣排放過量問題，而電動(dòng)汽車的出現(xiàn)使交通運(yùn)輸發(fā)展迎來了第二春，電動(dòng)汽車既能滿足人們的出行需求，又能緩解化石能源短缺和尾氣排放等問題。電池是新時(shí)代電子發(fā)展的新動(dòng)力，可以保障電子設(shè)備良好地工作，鋰離子作為一種能量高、壽命長的清潔能源，在交通運(yùn)輸、手機(jī)、電腦等方面都發(fā)揮了重要作用。鋰離子電池研究技術(shù)發(fā)展固然迅速，但其檢測技術(shù)的發(fā)展卻落后于研究技術(shù)，而人們發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)可以更好地幫助檢測電池性能。

目前鋰離子電池檢測技術(shù)已經(jīng)形成了一個(gè)相對(duì)完整的體系，包括電池容量、跌落、擠壓、高強(qiáng)度工作、機(jī)械沖擊等性能測試，基本可以對(duì)電池的性能做出全面的評(píng)價(jià)。電池技術(shù)的發(fā)展，使人們不光關(guān)注電池使用周期，也更加注重電池的性能，這就對(duì)電池檢測提出更高要求。本文對(duì)鋰離子電池檢測標(biāo)準(zhǔn)做出詳細(xì)介紹，深入研究計(jì)算機(jī)技術(shù)在鋰離子電池檢測的應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)在檢測鋰離子電池性能問題中的工作原理。

1 鋰離子電池檢測重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)

電池使用的安全性是非常重要的，電池過充會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)反應(yīng)，電能轉(zhuǎn)換成熱能，進(jìn)而使電池內(nèi)部溫度升高，不僅會(huì)破壞電池內(nèi)部構(gòu)造，還會(huì)引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)，最后可能產(chǎn)生電池起火，甚至爆炸的問題，電池的檢測就能很好地杜絕一些安全隱患。衡量電池品質(zhì)好壞的三個(gè)重要參數(shù)有開路電壓、負(fù)載電壓和短路電流，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，電池制造出廠時(shí)需要對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測。目前，應(yīng)用最為廣泛的電池檢測標(biāo)準(zhǔn)是國際電工委員會(huì)的鋰離子電池檢測標(biāo)準(zhǔn)，此外，還有許多國家及組織根據(jù)各自不同的需求制定了相關(guān)的鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)，雖然測試條件有所不同，但是測試的項(xiàng)目基本相同，如美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室、電氣及電子工程師學(xué)會(huì)和日本國家標(biāo)準(zhǔn)局制定的鋰離子電池檢測安全標(biāo)準(zhǔn)。

UL1642、GB8897.4等標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)鋰離子電池在運(yùn)輸中受到外部影響以及機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，模擬測試項(xiàng)目包括電池使用高度測試、適應(yīng)溫度測試、振動(dòng)、過度充電以及放電測試、撞擊擠壓測試、短路等方面，實(shí)驗(yàn)過程中要求電池不能出現(xiàn)以下情況：漏液、破裂、爆炸、著火、質(zhì)量損壞等。上述測驗(yàn)的核心標(biāo)準(zhǔn)是鋰離子電池使用安全性，對(duì)電池安全風(fēng)險(xiǎn)的判定依據(jù)難以量化，只能通過被檢測電池的爆炸、泄漏或變形等來篩選有安全隱患的電池，并不能將危險(xiǎn)電池標(biāo)準(zhǔn)量化，不利于檢測出有潛在危險(xiǎn)的電池。

2 鋰離子電池檢測方法發(fā)展進(jìn)程

電池在出廠投入市場前都需要經(jīng)過檢測，早期電池都是通過手工檢測法進(jìn)行檢測，目前已發(fā)展為半自動(dòng)檢測法。半自動(dòng)檢測法由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、參考電壓器、比較器、蜂鳴器等檢測儀器完成，測試原理主要是：給電池慢慢增大電流的同時(shí)，通過比較器將測得的電池電壓與參考電壓進(jìn)行比較，如果超過參考電壓，計(jì)算機(jī)會(huì)做出反應(yīng)，則蜂鳴器就會(huì)發(fā)出聲音，從而判別電池的好壞。這種方法雖然比傳統(tǒng)方法效率高了很多，但是仍需要人工參與將檢測表綁在電池正負(fù)兩極，而且工人工作時(shí)間較長會(huì)感到疲勞，可能會(huì)造成誤檢。

科學(xué)家又根據(jù)半自動(dòng)檢測法的缺點(diǎn)改進(jìn)研制出基于單片機(jī)檢測鋰離子電池的系統(tǒng)，其工作原理是：將檢測到電池電壓以及電流模擬量通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，將數(shù)字量與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以此判斷電池參數(shù)是否符合規(guī)定要求。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)檢測鋰離子電池可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測參數(shù)，提高檢測效率。單片機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池參數(shù)的半自動(dòng)檢測，但是其速度還不能夠與現(xiàn)代電池高速生產(chǎn)線相匹配，只能將測得的幾個(gè)安全參數(shù)顯示出，而且也無法用圖表直觀的方式顯示，更不可能綜合分析電池參數(shù)。隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電池的安全性檢測也提出了更高的要求，各國科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)可以很好地解決當(dāng)前檢測過程中所遇到的問題，可以采用更高超的計(jì)算機(jī)技術(shù)檢測鋰離子電池相關(guān)參數(shù)。

3 鋰離子電池檢測中計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)于微米級(jí)的檢測方法研究也有了突破性的進(jìn)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域做出巨大貢獻(xiàn)的計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）正逐步地應(yīng)用到地質(zhì)勘探和材料學(xué)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)原理是掃描需檢測的樣品內(nèi)部構(gòu)造，根據(jù)構(gòu)造差異形成不同的斷層圖像，從而幫助人們了解樣品內(nèi)部的微觀構(gòu)造。將計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)應(yīng)用到電池檢測中，不僅能夠?qū)︿囯x子電池壽命和安全問題進(jìn)行測試，還可以分析出電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

在電池老化程度方面，通過掃描分析出不同使用時(shí)間的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變可以發(fā)現(xiàn)電極形變程度與電池使用壽命成正比，即電池使用壽命越長電極形變程度越大，當(dāng)電極形變達(dá)到一定限度時(shí)，電池的危險(xiǎn)系數(shù)上升，所以可以通過觀察掃描出的電極變形程度，分析出電池的老化程度以及安全隱患問題。

在電池安全隱患方面，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)可以掃描出電池電極斷裂、褶皺、正負(fù)極對(duì)齊度差等相關(guān)問題。計(jì)算機(jī)斷層技術(shù)具有較高的放大倍率功能，可以識(shí)別出電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷，電極出現(xiàn)褶皺會(huì)影響電池的容量與內(nèi)阻，進(jìn)而對(duì)電池的產(chǎn)熱造成影響，而計(jì)算機(jī)可以輕而易舉地將電極中的褶皺掃描出來，并可以以CT 圖像的方式呈現(xiàn)出。電池制造工藝的缺陷會(huì)造成電池內(nèi)部存在異物，電池內(nèi)部存在異物可能會(huì)造成電池內(nèi)部區(qū)域溫度過高，埋下安全隱患的種子。由于計(jì)算機(jī)掃描技術(shù)對(duì)于高密度材料敏感度十分高，所以對(duì)電池中金屬異物的檢測十分有幫助。另外，電池極片存在對(duì)齊度差也會(huì)產(chǎn)生安全隱患，對(duì)齊度差可能導(dǎo)致電池正負(fù)極不對(duì)稱，這主要是由電池制造工藝水平較低造成的，不僅對(duì)電池儲(chǔ)電量有影響，還會(huì)增加電池發(fā)生短路的風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)也可以將電池內(nèi)部極片對(duì)齊度掃描并呈現(xiàn)出，避免后續(xù)使用中電池內(nèi)部發(fā)生短路，大量放熱致使電池內(nèi)部溫度過高引發(fā)爆炸。

在電池安全測試方面，通過計(jì)算機(jī)掃描圖像可以發(fā)現(xiàn)，電池內(nèi)部呈現(xiàn)出整齊的正負(fù)極卷繞結(jié)構(gòu)，將電池放電至150%時(shí)，電池的整體結(jié)構(gòu)基本完整，但是出現(xiàn)細(xì)微的毛刺，此外電極在放電過程中有增厚的現(xiàn)象。在對(duì)電池進(jìn)行強(qiáng)烈擠壓或者針刺后，可以明顯地觀察到電池內(nèi)部受損嚴(yán)重，穿刺孔清晰可見，甚至電池內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，外界作用力改變了電池內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)。綜上所述，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)電池安全性分析及綜合評(píng)價(jià)有著舉足輕重的作用。

隨著電子產(chǎn)品種類越來越多，電池檢測工序也越來越繁瑣，傳統(tǒng)的檢測方法依然不能滿足需求，因此，必須采用更高的技術(shù)進(jìn)行檢測。計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)可以在不破壞電池包裝的基礎(chǔ)上，真實(shí)地還原電池內(nèi)部構(gòu)造情況，并且能夠以圖像的形式將其呈現(xiàn)。利用CT 技術(shù)可以有效地分析出電池內(nèi)部組裝情況、電極對(duì)齊度、安全隱患、老化程度等問題，并為后續(xù)鋰離子電池制造工藝的創(chuàng)新提供指導(dǎo)性的價(jià)值，同時(shí)也促進(jìn)了鋰離子電池檢測技術(shù)的發(fā)展。

綜上所述，社會(huì)上電池爆炸的新聞層出不窮，電池在被濫用的情況下會(huì)損壞甚至燃燒爆炸，危及到人們生命安全，鋰離子電池的安全性能已經(jīng)成為一個(gè)重要指標(biāo)。電池本身就會(huì)攜帶一些隱患問題，不同的制造工藝、使用環(huán)境、使用方法等都會(huì)影響電池的安全性能，而有效的電池檢測方法可以幫助改善很多鋰離子電池存在的安全問題。研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)技術(shù)可以應(yīng)用在電池檢測領(lǐng)域，為電池生產(chǎn)、檢測、維護(hù)提供技術(shù)幫助。計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)可以準(zhǔn)確地掃描出電池內(nèi)部的構(gòu)造，識(shí)別缺陷，鋰離子電池制造工藝結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠使我們更深入地掌握電池內(nèi)部情況，防止在使用過程中出現(xiàn)安全問題。