电芯扫描仪


  1. 气泡检测

  由于超声波在气体介质中的传播非常困难,可利用其对气体敏感的特性实现成像目的。示例中,在塑料片中密封一层厚度约50μm且具有一定形状的气体,模拟电池内部产气,将其放置在电池表面后进行超声扫描检测,超声信号会因气体的存在而无法穿透电池,于是呈现出既定的成像。该超声检测精度可达1mm。

 

  2. 电解液检测

  (1) 软包电池:对于电解液浸润很好的良品电池(如图左一),电池内部是很匀质的结构,于是超声检测得到的图像颜色分布十分均一。
  经过高温破坏后(如图左二),由于电池内部会有一些电解液的损耗,通过超声检测,可发现呈现出来的电解液分布是不均匀的。若是人为地向电池中注入过量电解液(如图左三),超声检测结果表明,图像中出现了类似牛顿环一样的衍射环,电解液分布也是不均匀的。值得注意的是,左图二和三的数学算法是不一样,只是为了让这种不均匀性表现得更加突出,而将它们放在了一起进行良次品的结果对照。

 

  下图是软包电池中电解液的浸润过程呈现出的超声扫描测试图像。不难看出,刚注液完成的电池初始态下,电解液的分布并不均匀,静置时长达10多个小时后,电池内部的电解液分布才达到较为均一的浸润状态。
 

  (2) 硬壳电池:经过长期使用后的4块方形硬壳锂离子电池,其中心部分的超声透过率明显下降,说明该区域的电解液出现了损耗。

  3. 铝塑膜封边检测

 

  软包电池在制作过程中,都需经过抽真空封装的工序,如此电池内部会存在一定的负压。若电池发生了损伤,即使是极其微小的创口,都会有气体进入电池,并可能导致更多的产气副反应发生,造成安全隐患。一旦有气体进入电池,必然会阻碍超声信号在电池中的传播,于是可从成像结果反映出来。如下图所示,在软包电池的右上角做了140μm的针刺破坏处理,从外观上看不出任何异常,但通过超声扫描检测后发现,电池右上角部分呈现出蓝色区域,印证了电池因损伤而有气体的存在。

  4. 析锂检测

  免拆解实时监测低温析锂,快速确定不同温度、不同SOC下的析锂边界电流,制定最合理的快充策略。

  (1)软包电池:下图为某软包电池在5oC下充放电测试的超声扫描结果:

  当电池在20A电流下充放电时,经过30次循环后,电池内部并未发生任何明显变化,可判断该电流是电池充放电能承受的电流大小。将电流大小提升至30A后,扫描测试图像显示电池内部出现了明显变化,根据实验设置的低温快充工作条件,可判断电池发生了析锂。这是因为析锂过程中,会有新鲜的锂析出后与电解液发生电化学反应,产生一定量的气体,从而阻碍了超声信号在电池中的传播。

  值得一提的是,导热性对电池来说非常重要,析锂产气对热扩散是十分不利的,这必然会影响电池导热性的变化,导致更容易发生热失控,引发安全事故。

  为了印证扫描测试结果的判断,充电结束后立即拆解电池,发现电池中上部的正负极之间存在一些竖状的条纹,说明析锂位置(红色线圈部分)与产气位置吻合。

 

  (2) 硬壳电池:下图为某硬壳电池在-20oC下充放电测试的超声扫描结果:

 

  在初始状态下,扫描测试的图像结果显示颜色分布很均匀,随着充放电循环的进行,析锂程度不断加深,电池内部产生的气体量也随之不断增加,从第17圈开始,可以观察到一些蓝色斑点的出现,到了第35圈时,整个电池内部都呈现出蓝色的扫描图像结果,说明了该充放电条件下电池内部因析锂导致产生了大量的气体。
 

  5. 荷电状态监测

  传统方法对锂离子电池SOC的测量主要基于电池的电学参数变化,即通过测量电池的电压、电流、内阻或对电池的电流进行积分等方式间接获取电池的SOC信息,但这种传统的SOC测量方法无法得到足够可信的结果。本专利技术利用电池声学特性与内部结构和电性能之间的耦联关系,以新的物理维度实现电池SOC高精度测量。

  如下所示,是经过归一化处理后得出的电池不同位置SOC变化的超声扫描图。不难发现,电池右下角靠近正极极耳部分,充电速度高于其他区域。

  6. 循环寿命预测

  锂离子电池具有稳定的充放电平台,无法从有限的循环测试周期中反馈出电池老化情况,只能通过长时间的循环性能测试和大量的数据采集来预测电池使用寿命,这往往需要数个月甚至数年的时间。

           

  案例中,图(a, b)所示,电池在前50次循环过程中,电压曲线高度重合,无法预测电池寿命。而超声信号相比于电压,对电池内部的结构变化响应更为敏感。

  图(c, d)所示,经过50次循环测试后,穿过电池的超声波形衰减速率有明显变化。通过超声扫描装置,可及早发现电压曲线无法反映的早期结构劣变,从而获得准确的循环寿命预测数据。