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工業(yè)CT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

★無(wú)損檢測(cè)：工業(yè)CT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋰離子電池（以下簡(jiǎn)稱(chēng)鋰電池）內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無(wú)損觀察。

★精確測(cè)量：可以精確測(cè)量電極間的距離，并觀察正極/負(fù)極端子引線(xiàn)的連接狀態(tài)。

★動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：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(guò)鋰離子在正負(fù)極間移動(dòng)實(shí)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(dòng)汽車(chē)行業(yè)的迅猛發(fā)展，各廠(chǎng)商正致力于研發(fā)更持久的電池技術(shù)以延長(zhǎng)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(cè)至關(guān)重要。X射線(xiàn)CT系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的有效工具。

本文介紹了使用X射線(xiàn)CT系統(tǒng)并連接充放電裝置對(duì)柱狀鋰電池進(jìn)行解析的案例。

圖1 微焦點(diǎn)X射線(xiàn)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(duì)比度取決于材料對(duì)X射線(xiàn)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(xiàn)CT掃描

X射線(xiàn)CT提供了對(duì)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(kāi)位置如圖6-A中的紫色線(xiàn)所示，展開(kāi)的圓柱體橫斷面圖像如圖6-B所示，可見(jiàn)極耳，放大后可以觀察到其節(jié)點(diǎn)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(kāi)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(cè)量

圖7和表1展示了電極間各種距離的測(cè)量結(jié)果。除了直接測(cè)量橫斷面圖像上的長(zhǎng)度，如圖8所示，正負(fù)極的間距也可以從灰度值的輪廓線(xiàn)中測(cè)量得出。

圖7  電極間距離測(cè)量結(jié)果

表1 電極間高度和寬度測(cè)量結(jié)果

A：線(xiàn)輪廓線(xiàn)A                       B：線(xiàn)輪廓線(xiàn)B

圖8基于灰度值線(xiàn)輪廓的距離測(cè)量結(jié)果

充放電裝置

鋰電池在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列物化反應(yīng)，導(dǎo)致電池老化。研發(fā)過(guò)程中需要評(píng)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(guò)程中進(jìn)行CT掃描，也可以連接到用戶(hù)自行準(zhǔn)備的充放電設(shè)備上。

*3 X射線(xiàn)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(cè)試前后的橫斷面圖像。測(cè)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(wú)變化，內(nèi)部電極也可能發(fā)生變形。

通過(guò)X射線(xiàn)CT系統(tǒng)可以無(wú)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(xiàn)CT系統(tǒng)并連接充放電系統(tǒng)對(duì)圓柱形鋰電池進(jìn)行分析的案例。X射線(xiàn)透視適合快速簡(jiǎn)單的觀察和檢查，而X射線(xiàn)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(cè)量電極間距離和觀察極耳連接部。通過(guò)定制的充放電裝置，可以原位觀察電極的變形過(guò)程。因此，CT系統(tǒng)在研發(fā)、工藝制定和檢測(cè)中扮演著重要角色。

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