工业CT在圆柱形锂离子电池无损检测与充放电原位解析中的应用

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工业CT技术的优势

★无损检测：工业CT技术能够实现对锂离子电池（以下简称锂电池）内部结构的无损观察。

★精确测量：可以精确测量电极间的距离，并观察正极/负极端子引线的连接状态。

★动态监测：连接充放电装置后，能在充放电后观察电池内部结构的变化。

概述

锂电池作为一种通过锂离子在正负极间移动实现充放电的二次电池，以其低成本和高能量密度在智能手机、笔记本电脑等领域得到广泛应用。随着电动汽车行业的迅猛发展，各厂商正致力于研发更持久的电池技术以延长续航能力。除了续航能力，安全性也是锂电池的重要考量因素。制造缺陷，如异物混入和卷绕异常，可能导致短路，引发火灾和爆炸。因此，制造条件的设定和生产检测至关重要。X射线CT系统是实现这些目标的有效工具。

本文介绍了使用X射线CT系统并连接充放电装置对柱状锂电池进行解析的案例。

图1 微焦点X射线CT系统inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus

圆柱形锂电池的透视分析

图2展示了21700型锂电池单体的透视图像，其对比度取决于材料对X射线的吸收差异。透视检查是一种快速观察电池内部形态的方法。如图3所示，电极由负极、正极和隔膜组成，按照特定顺序排列。

圆柱形锂电池的X射线CT扫描

X射线CT提供了对锂电池更深入的分析能力。图4展示了21700型锂电池的横断面图像，图5则为3D图像。横断面图像中可以清晰区分负极和正极以及极耳，而3D图像则允许部分提取或选择性显示特定材料以观察内部结构。

图4  21700锂电池的横断面图像

图5  21700锂电池内部的3D图像

图6为21700型锂电池的横断面图像。展开位置如图6-A中的紫色线所示，展开的圆柱体横断面图像如图6-B所示，可见极耳，放大后可以观察到其节点结构。除了垂直和水平横截面观察外，还可以沿着柱状表面进行观察，因此，可以观察到电极在轧制前的状态。

A表示展开位置                           B未卷绕横断面图像

图6  21700 锂电池的未卷绕横断面图像

电极间距离的精确测量

图7和表1展示了电极间各种距离的测量结果。除了直接测量横断面图像上的长度，如图8所示，正负极的间距也可以从灰度值的轮廓线中测量得出。

图7  电极间距离测量结果

表1 电极间高度和宽度测量结果

A：线轮廓线A                       B：线轮廓线B

图8基于灰度值线轮廓的距离测量结果

充放电装置

锂电池在充放电过程中会发生一系列物化反应，导致电池老化。研发过程中需要评估电池寿命和老化程度，观察电池内部结构的变化。本装置允许在充放电过程中进行CT扫描，也可以连接到用户自行准备的充放电设备上。

*3 X射线CT的主要规格与标准inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus相同。

图9 inspeXio™SMX™-225CT FPD HR Plus，充放电连接系统（示意图）

充放电后的内部结构变化

图10展示了18650型锂电池在充放电测试前后的横断面图像。测试后的图像中，红色框指示的部分显示了电极的变形，表明即使外观无变化，内部电极也可能发生变形。

通过X射线CT系统可以无损地观察到电池的内部状态。

图10 18650型锂电池的横断面图像

结论

本文介绍了使用X射线CT系统并连接充放电系统对圆柱形锂电池进行分析的案例。X射线透视适合快速简单的观察和检查，而X射线CT系统则能提供更详细的内部状态观察和分析，包括测量电极间距离和观察极耳连接部。通过定制的充放电装置，可以原位观察电极的变形过程。因此，CT系统在研发、工艺制定和检测中扮演着重要角色。

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