摘 要：本文深入探討了X射線斷層掃描技術(shù)在鋰離子電池安全檢測中的多場景應(yīng)用，從生產(chǎn)缺陷、機(jī)械安全到熱失控濫用等多個(gè)角度全面剖析了該技術(shù)的重要性及其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。研究顯示，X射線斷層掃描作為一種無損檢測方法，不僅能夠有效識別鋰離子電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷和故障位置，還能對電池在經(jīng)歷各種環(huán)境試驗(yàn)后的內(nèi)部變化進(jìn)行詳細(xì)分析。這為提升鋰離子電池的安全性和可靠性提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：X射線CT 鋰離子電池 工藝缺陷 機(jī)械濫用

1 緒論

新能源汽車在我國發(fā)展態(tài)勢日益迅猛并形成完整豐富的產(chǎn)業(yè)鏈。消費(fèi)者與社會對新能源汽車的關(guān)注程度也日益高漲。鋰離子電池安全問題成為伴隨新能源汽車發(fā)展備受關(guān)注的問題之一。數(shù)據(jù)顯示，2019年至2023年，國內(nèi)新能源車火災(zāi)年均超300例，其中很大一部分來自鋰離子電池故障[1]。鋰離子電池?zé)崾Э厥切履茉雌囎匀嫉闹饕颍婕半娦静牧蠁栴}、生產(chǎn)工藝缺陷、封裝及結(jié)構(gòu)異常等生產(chǎn)環(huán)節(jié)[2]。同時(shí)受過充過放、碰撞沖擊或老化衰敗等問題共同影響。鋰離子電池缺陷及損傷研究也日益成為影響新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的瓶頸[3]，成為各行各業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題。

針對新能源汽車，尤其是鋰離子電池安全問題，國家相繼推出一系列標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)諸如GB /T31485-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》[4]、GB38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》[5]等安全類標(biāo)準(zhǔn)從各個(gè)角度完善鋰離子電池安全技術(shù)要求。針對鋰離子電池安全的檢查方法也逐漸形成電性能類、環(huán)境類、安全濫用類等各種不同的試驗(yàn)體系。

張斌鵬等研究了利用超聲技術(shù)研究鋰離子電池荷電狀態(tài)與內(nèi)部缺陷的情況[6]；黃欣等研究了鋰離子電池工藝中可能造成的短路缺陷[7]；何濤等利用圖像生成算法研究鋰離子電池表面缺陷檢測方法[8]；李首項(xiàng)等研究了儲能用鋰離子電池的系統(tǒng)安全問題[9]；Mattern等研究了深度學(xué)習(xí)算法對鋰離子電池缺陷檢測的應(yīng)用[10]。

X射線斷層掃描技術(shù)是一種基于X射線成像的無損檢測技術(shù)，其應(yīng)用原理是利用帶有能量的X射線在傳播過程中經(jīng)過物體后其能量被物體吸收從而產(chǎn)生能量衰減。由于X射線穿過不同密度物質(zhì)時(shí)的吸收差異[11]。當(dāng)射線通過被測物體時(shí)，由于物體內(nèi)部各部分吸收率不同，探測器接收到的X射線強(qiáng)度也會有所不同。通過對多個(gè)角度下射線穿透物體后的強(qiáng)度進(jìn)行測量，并利用數(shù)學(xué)重建算法處理這些數(shù)據(jù)，可以得到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維圖像及三維模型[12]。從而實(shí)現(xiàn)無損分析。

由于鋰離子電池內(nèi)部存在易于揮發(fā)的電解液，并且在某些情況下內(nèi)部結(jié)構(gòu)一旦拆解便會形成不可逆的損傷。因此在保留鋰離子電池故障原始狀態(tài)下進(jìn)行X射線斷層掃描成為研究鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)與故障分析一種新手段，其具有無損、透視、高分辨率的特點(diǎn)[13]?？蓪?shí)現(xiàn)在不破壞樣品狀態(tài)的情況下三維數(shù)字化直觀描述樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率、高效、多相態(tài)及多技術(shù)的結(jié)合分析[14-15]。采用三維圖像采集技術(shù)對樣品進(jìn)行分析和觀察，結(jié)合傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，掃描內(nèi)部極片對其氣度、極片褶皺、焊接缺陷等三維結(jié)構(gòu)等特征。

本研究利用X射線斷層技術(shù)研究鋰離子電池在不同場景下的應(yīng)用，從生產(chǎn)缺陷、機(jī)械安全、熱失控濫用三個(gè)角度分析了該技術(shù)在鋰離子電池缺陷檢測與安全分析的重要作用。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

完整的X射線斷層檢測平臺包括射線源、探測器、樣品掃描系統(tǒng)、模型重建系統(tǒng)、分析系統(tǒng)。射線源作為X射線的激發(fā)源，采用50kV～500kV的激發(fā)電壓，激發(fā)X射線管使之產(chǎn)生X射線。探測器作為X射線的接收裝置，通常采用陣列式探測器，通過陣列上每個(gè)像元采集對應(yīng)位置X射線的能量。

樣品掃描系統(tǒng)控制樣品在射線源與探測器之間的位置，確保樣品能夠完整處于X射線束中并且能夠完整地在探測器上留下最大投影，同時(shí)能夠控制樣品實(shí)現(xiàn)360°勻速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)同步均勻的采集。

模型重建系統(tǒng)能夠根據(jù)探測器在樣品旋轉(zhuǎn)一周過程中不斷拍攝得到的X射線影像照片根據(jù)樣品所在的位置及旋轉(zhuǎn)角度，通過算法將360°一個(gè)周期內(nèi)全部單張照片進(jìn)行成像形成完整的3D模型。

X射線斷層掃描部分的平臺搭建如下。

由圖1可知，被測樣品通過射線源在探測器上形成經(jīng)過射線吸收后的單張投影，使樣品旋轉(zhuǎn)一周的同時(shí)進(jìn)行不斷采集便能夠形成數(shù)百到數(shù)千張投影，之后通過算法根據(jù)樣品所在的位置及旋轉(zhuǎn)角度所形成的每張影像，構(gòu)建出與樣品一致的三維模型，如圖2。

如圖所示，通過每一張圖像在不同角度與位置的關(guān)系，將被測樣品旋轉(zhuǎn)一周后所形成的圖像進(jìn)行重構(gòu)從而形成完整的三維模型。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

針對鋰離子電池，可采用如下步驟：

a.對樣品進(jìn)行拍照、外觀檢查，確認(rèn)外部存在的損傷或缺陷；

b.根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求對樣品進(jìn)行預(yù)處理；

c.將樣品放置在搭建好的測試平臺中，根據(jù)樣品情況選擇合適激勵(lì)電壓，以1°/s的速度進(jìn)行掃描，每2s進(jìn)行一次探測器圖像采集；

d.重新構(gòu)建出樣品三維模型，并從X、Y、Z三個(gè)方向保存切面圖，每張切面圖間隔不超過1mm ；

e.根據(jù)要求進(jìn)行性能、環(huán)境或?yàn)E用性試驗(yàn)；

f.試驗(yàn)結(jié)束后，待樣品溫度恢復(fù)至常溫并電壓變化不超過0.1V/h后，重復(fù)進(jìn)行c-d構(gòu)建樣品試驗(yàn)后三維模型及切面圖；

g.比對試驗(yàn)前后的樣品三維模型及切面圖，分析試驗(yàn)對樣品造成的結(jié)構(gòu)影響及內(nèi)部損傷。

通過分析電壓與內(nèi)阻變化以及對熵?zé)嵯禂?shù)的計(jì)算，從而分析電池的不同系別與生命狀態(tài)對電池這兩方面的影響。

3 應(yīng)用場景

3.1 鋰離子電池內(nèi)部缺陷檢測

鋰離子電池在生產(chǎn)工藝及過程中不可避免的會產(chǎn)生一定的缺陷，這些缺陷不僅會影響鋰離子電池性能而且對鋰離子電池安全性構(gòu)成一定的威脅。在生產(chǎn)過程中可能會由于勻漿及涂布工藝的缺陷造成混入雜質(zhì)，導(dǎo)致內(nèi)部短路或其他電化學(xué)問題[16]，同時(shí)可能影響內(nèi)部電流密度不均勻，從而對電池性能造成影響；焊接不良與密封不良可能會導(dǎo)致內(nèi)部電解液泄漏，或者接觸不良造成斷路情況影響電池容量和效率[17]。一般情況下，通過外部參數(shù)表征很難準(zhǔn)確測到電池內(nèi)部情況，而借助X射線斷層掃描技術(shù)則可以有效的發(fā)現(xiàn)鋰離子電池內(nèi)部存在的缺陷。圖3呈示了圓柱電池異常焊接的情況。

圖3展示了圓柱形鋰離子電池匯流盤與側(cè)壁正常焊接的狀態(tài)，其中焊接呈現(xiàn)出焊接位連接處發(fā)生彎折，雖然焊接位與匯流盤之間仍保持90°角度，但焊接位置整體向上方彎曲，經(jīng)面積計(jì)算，焊接面積相比正常焊接面積減小了84%。有效連接面積不足原有的1/5。

3.2 鋰離子電池機(jī)械安全應(yīng)用

機(jī)械安全測試一直是鋰離子電池安全測試中比較重要的一部分，主要從機(jī)械防護(hù)與結(jié)構(gòu)特性方面來驗(yàn)證鋰離子電池的安全可靠性。其中振動(dòng)測試、沖擊測試一般屬于非濫用性測試，擠壓測試與穿刺測試屬于濫用性測試。

利用X射線斷層檢測方法可以非常直接的觀察鋰離子電池在機(jī)械測試之后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化與安全狀況。圖4呈現(xiàn)了鋰離子電池在沖擊試驗(yàn)后發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。

由圖可知，經(jīng)過方向來自側(cè)面的沖擊后電池外殼發(fā)生了較為明顯的變形，底面產(chǎn)生了凸起形變，側(cè)面產(chǎn)生了輕微向內(nèi)的凹陷。變化更為顯著的是內(nèi)部極片，從正面看，出現(xiàn)了明顯的這周現(xiàn)象，在X射線圖像中表現(xiàn)為亮暗交錯(cuò)的連續(xù)紋路。說明在沖擊過程中電池只外殼出現(xiàn)了變形，內(nèi)部極片出現(xiàn)了更加嚴(yán)重的褶皺。褶皺區(qū)域能夠有效參與反應(yīng)的活性區(qū)域減少，充放電能效降低，會直接影響電池的容量與能量。同時(shí)褶皺區(qū)域電極材料中傳播路徑的不穩(wěn)定，使內(nèi)阻增加，容易導(dǎo)致區(qū)域放熱增加，可能進(jìn)一步引發(fā)褶皺區(qū)域收縮增大區(qū)域應(yīng)力，容易發(fā)生極片破損開裂等情況，從而進(jìn)一步引發(fā)熱失控等安全事故[18]。同時(shí)從長遠(yuǎn)考慮，褶皺區(qū)域在不斷地充放電過程中更容易發(fā)生破裂從而影響電池長期壽命，加速電池老化。

4 總結(jié)與展望

本文深入探討了X射線斷層掃描技術(shù)在鋰離子電池安全檢測中的多場景應(yīng)用，從生產(chǎn)缺陷、機(jī)械安全到熱失控濫用等多個(gè)角度全面剖析了該技術(shù)的重要性及其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

X射線斷層掃描技術(shù)在鋰離子電池檢測的應(yīng)用前景廣闊，但仍需進(jìn)一步探索如何將此技術(shù)更好地融入電池生產(chǎn)和質(zhì)量控制流程中。此外，結(jié)合人工智能算法優(yōu)化圖像處理和數(shù)據(jù)分析過程，可以更快速準(zhǔn)確地識別潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。未來的研究還應(yīng)關(guān)注如何降低X射線斷層掃描的成本，使其更加普及化，并開發(fā)適用于在線監(jiān)測的新方法，以實(shí)現(xiàn)對電池健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而推動(dòng)新能源汽車行業(yè)向更安全、高效的方向發(fā)展。

基金項(xiàng)目：本項(xiàng)研究受國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“耐高溫長壽命高安全鋰電池研究”（2022YFE0207300）、天津市科技人才項(xiàng)目（24ZYJDSS00140）、中國科協(xié)青年人才托舉項(xiàng)目（2021QNRC001）支持。

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