鋰電池安全性能無損檢測技術(shù)研究進(jìn)展

陳佳慧，王 飛，危 荃，高顯亮，金翠娥，金牛牛

(上海神劍精密機械科技有限公司，上海 201600)

節(jié)能環(huán)保的新能源汽車是汽車行業(yè)發(fā)展的一個方向，也是我國的未來發(fā)展戰(zhàn)略，電池作為新能源汽車的儲能元件和供電電源，在新能源汽車上具有核心作用。鋰電池由于具有能量密度大、自放電率低、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，在新能源汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但受應(yīng)用環(huán)境、電池材料和生產(chǎn)工藝等不夠完善等因素影響[1]，電池組會出現(xiàn)能量效率降低、壽命縮短、電動汽車的續(xù)駛里程減小等問題，甚至導(dǎo)致燃燒、爆炸事故的發(fā)生，存在安全隱患。

1 鋰電池安全隱患分析

鋰離子電池一般由正極、負(fù)極、正極引線、負(fù)極引線、中心管子、隔膜、電解質(zhì)和電池外殼等組成。電池正極為金屬氧化物、摻雜化合物等，電池負(fù)極為碳素材料，電池電解液由無機鋰鹽和有機溶劑組成。鋰電池屬于二次電池，通過鋰離子在正負(fù)極之間的移動實現(xiàn)電池的充放電。鋰電池工作原理示意如圖1所示[2]。

圖1 鋰電池工作原理示意

鋰電池分為柱形鋰電池與方形鋰電池，又根據(jù)電池外包材料的不同分為鋁殼鋰電池、鋼殼鋰電池和軟包鋰電池。

近幾年國內(nèi)外鋰電池的安全事故、召回數(shù)據(jù)表明，鋰離子電池的安全事故主要表現(xiàn)為過熱、燃燒和爆炸。鋰離子電池發(fā)生安全事故的主要原因是熱積聚或熱失控，表現(xiàn)為無法正常、及時散熱或壓力局部突增，進(jìn)而導(dǎo)致電池失控，引起起火、爆炸等事故，一定程度上會威脅人身安全。內(nèi)部材料、制造工藝、非正常使用、使用疲勞等因素均有可能導(dǎo)致電池發(fā)生故障。

鋰電池的生產(chǎn)包含極片制作、電芯組裝、后處理等多個復(fù)雜工序，在生產(chǎn)過程中，可能出現(xiàn)劃痕、顆粒、邊緣破損、極片穿孔等十幾種缺陷，因此，在出廠使用前，需要對鋰電池進(jìn)行缺陷檢測，評估其安全性能。

筆者將鋰電池存在的缺陷分為表面缺陷、電極缺陷以及內(nèi)部缺陷3部分進(jìn)行闡述，分別介紹其缺陷種類及其相應(yīng)的檢測方法。

2 鋰電池安全性能檢測方法

2.1 表面缺陷檢測

鋰電池的表面缺陷主要是由原材料本身受損或僅生產(chǎn)線上受到誤碰產(chǎn)生的，其主要表現(xiàn)為劃痕、褶皺、鼓包、凹痕、凹坑、針眼、露鋁、臟污等，其中針眼、露鋁等嚴(yán)重缺陷會影響電池的安全性能。

目前工業(yè)上鋰電池的表面檢測方式以人工檢測為主，質(zhì)檢員在強光環(huán)境下仔細(xì)觀察每一塊產(chǎn)品的表面，并通過觸覺檢測鋰電池表面的凹痕、凹坑?；贑CD (電荷耦合器件)成像和數(shù)字圖像處理的機器視覺技術(shù)的自動檢測技術(shù)逐漸成熟，而現(xiàn)階段表面缺陷的自動化檢測仍處于探索階段，目前比較成熟的產(chǎn)品如SmartRay公司的ECCO 95.020 3D型視覺傳感器，可以呈現(xiàn)完整的電池3D模型，其對軟包電池表面缺陷的檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 軟包電池表面缺陷檢測結(jié)果

鋰電池表面缺陷的自動檢測技術(shù)具有檢測速度快、精度高、不會造成二次傷害等優(yōu)點，但容易受到生產(chǎn)工藝、光照等環(huán)境影響。

2.2 電極檢測

電極極片的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，工序繁多,電池質(zhì)量70%都與極片相關(guān)[3]，極片缺陷會直接影響電池的性能，輕則引起電池容量降低、壽命下降，重則導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生短路，極片缺陷檢測是電池質(zhì)量檢測中的一個重要環(huán)節(jié)。

極片的制作工序包括收卷、刮粉、對輥、裁片、極耳焊接、貼膠紙、卷繞等環(huán)節(jié)[4]，在涂料、輥壓環(huán)節(jié)都可能造成極片損傷。鋰電池的極片缺陷包括極片斷裂、極片漏金屬、極片劃痕以及褶皺等。

HUBER等[5]提出了一種基于主動熱成像法檢測鋰電池極片缺陷的方法，該方法通過加熱電極同側(cè)的電極得到電池?zé)崽匦耘c形狀之間的關(guān)系，可以檢測出電池里的點缺陷與顆粒缺陷、得出電極的孔隙率，同時發(fā)現(xiàn)孔隙率高的薄膜具有較高的熱導(dǎo)率。SHARP等[6]提出一種基于脈沖熱成像技術(shù)的鋰電池電極質(zhì)量評估方法，對實驗室制造的電極存在的厚度差異和成分差異進(jìn)行檢測。O'REGAN將圖像處理算法與脈沖熱像儀配合使用，對實驗室創(chuàng)建和模擬的電極膜上氣泡和條紋缺陷進(jìn)行了自動檢測。

ETIEMBLE等[7]開發(fā)了一種基于X射線照相的方法，建立涂層成分衰減定律，以此評估鋰電池電極涂層各點的厚度，隨著涂層厚度的逐漸減小，可檢測針孔或?qū)掃吶毕?。RAHE等[8]利用高分辨率 X 射線CT掃描技術(shù)研究了汽車鋰離子電池的單元電池再使用時陰極顆粒開裂、鋁集電器腐蝕、陰極膨脹和樣機孔堵塞不均勻等問題，同時研究了電池使用老化問題。馬天翼等[9]研究了微米級計算機斷層掃描技術(shù)(CT)在鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，分別對電極結(jié)構(gòu)斷裂、電極褶皺、極片整齊度進(jìn)行了測試其(檢測結(jié)果見圖3)，可見CT成像結(jié)果可以對電池內(nèi)部電極的結(jié)構(gòu)斷裂、褶皺、電連接不穩(wěn)定以及正負(fù)極對齊度差等內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行識別。

圖3 電極的計算機斷層掃描檢測結(jié)果

2.3 電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷檢測

電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷主要分為兩種，一種是電池內(nèi)部存有異物，一種是電池內(nèi)部存在過多氣體。電池內(nèi)部異物主要由電池生產(chǎn)過程中的工藝缺陷成，可采用X射線對其進(jìn)行檢測，由于X射線對于高密度材料敏感，能夠檢測到的主要是金屬異物。電解質(zhì)存在過多空氣主要由封裝不良、電池芯內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)、電解質(zhì)浸潤不良等因素造成。

LAMB[10]等使用CT成像技術(shù)分析了電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并從環(huán)境、溫度以及電池結(jié)構(gòu)等3個方面分析了鋰電池可能存在的短路問題。馬天翼等[9]使用CT掃描技術(shù)對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，得到的動力電池密封圈異物CT圖像如圖4所示，其中異物粒徑約為100 μm(異物可能會導(dǎo)致電池密封不嚴(yán)，電解液泄漏)。

圖4 動力電池密封圈異物的CT圖像

RHODES等利用聲發(fā)射技術(shù)對鋰電池不同材料的電極進(jìn)行檢測，分析電池內(nèi)部氣體的產(chǎn)生情況。張曼[11]針對鋰電池中是否存在空氣層缺陷的問題，采用空氣耦合超聲回執(zhí)穿透法對鋰離子電池進(jìn)行檢測，試驗設(shè)置采樣頻率為10 MHz，增益為33 dB，每組采集2 584個點，采集若干組數(shù)據(jù)，計算出的鋰電池空耦超聲透射波信號最大幅值隨氣泡缺陷直徑的變化曲線如圖5所示[11]。

圖5 鋰電池空耦超聲透射波信號最大幅值隨氣泡缺陷直徑變化曲線

黃鍇[12]進(jìn)行了電解液浸潤效果的可視化探究，通過浸潤過程不同時刻的成像結(jié)果，觀察電解液在浸潤過程中的變化，其超聲成像結(jié)果如圖6所示，圖中綠色表示電解液浸潤良好，藍(lán)色表示未充分浸潤，由圖6可見，該方法可用來觀測電解液是否充滿、判斷電池內(nèi)部是否存在空隙，也可以用來研究注液方式對電解液浸潤效果的影響。

圖6 電解液浸潤過程的超聲成像結(jié)果

加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的JEFF與華中科技大學(xué)的沈越等[13]提出了一種基于超聲掃描技術(shù)研究軟包和棱柱型鋰離子電池的方法(聚焦超聲掃描的原理見圖7)，利用直徑小于1 mm的聚焦超聲波束可實現(xiàn)亞毫米級分辨率的檢測。該方法通過超聲透射波束對電池內(nèi)部進(jìn)行原位無損檢測，可檢測電池內(nèi)部電解液老化損耗、電解液浸潤、(固體電解質(zhì)界面生長、氣體分布等情況。

圖7 聚焦超聲掃描原理示意

3 總結(jié)與展望

鋰離子電池的自身安全系數(shù)已成為制約鋰離子電池應(yīng)用的一項重要指標(biāo)，電池出廠前需要進(jìn)行全方面的安全性能檢測?，F(xiàn)階段鋰離子電池的表面缺陷、電極缺陷、內(nèi)部缺陷分別存在著多種不同的檢測方法，為簡化檢測流程，需要一種可以對鋰電池的各個部位進(jìn)行全方面檢測的方法。

相關(guān)研究表明機器視覺技術(shù)、主動熱成像、X射線照相、聲發(fā)射、超聲成像等方法可對鋰電池的表面缺陷、電極缺陷和內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，而CT技術(shù)功能更為全面，可以對產(chǎn)品進(jìn)行表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全面掃描，實現(xiàn)對新能源鋰電池的全方面檢測。CT檢測優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾方面：①可通過三維重建形成完整的電池3D模型，對電池進(jìn)行表面檢測；②可根據(jù)密度差異形成對比度不同的斷層圖像，從而準(zhǔn)確掌握電極是否存在斷裂、劃痕、褶皺等缺陷；③可對電池內(nèi)部是否存在金屬雜質(zhì)、氣泡等安全問題進(jìn)行檢測。當(dāng)前已經(jīng)有一些新能源汽車企業(yè)將該技術(shù)應(yīng)用于電池檢測中。

目前國內(nèi)外均已開展新能源電池的人工智能檢測研究，涉及電池表面、電池極片、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面的缺陷檢測，同時新能源電池的智能檢測需要大量的缺陷數(shù)據(jù)庫支持，CT成像結(jié)果可以提供部分支持。目前有些CT設(shè)備可以達(dá)到微米級檢測精度，可以清晰地呈現(xiàn)鋰電池結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)較高放大倍率下的CT數(shù)據(jù)中的特異點查找。CT檢測技術(shù)還可對檢測產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全面掃描，得到材料微觀結(jié)構(gòu)的三維空間的數(shù)量、體積分?jǐn)?shù)、分布等信息，有利于分析材料缺陷信息與力學(xué)性能的關(guān)系，辨別缺陷在材料失效中的作用，以優(yōu)化和改善材料的制備工藝，為將來新能源動力電池的檢測提供參考。