計(jì)算機(jī)技術(shù)在鋰離子電池檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

郝 浩 淼

（清華大學(xué)，北京 100084）

我國(guó)可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中最值得注意的問(wèn)題就是能源和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。就目前來(lái)看，全球過(guò)度的開(kāi)采、排放污染、消耗造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)發(fā)展越迅速的行業(yè)帶來(lái)的環(huán)境污染越嚴(yán)重。近年來(lái)交通運(yùn)輸行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅速，隨之而來(lái)的是化石能源短缺和尾氣排放過(guò)量問(wèn)題，而電動(dòng)汽車的出現(xiàn)使交通運(yùn)輸發(fā)展迎來(lái)了第二春，電動(dòng)汽車既能滿足人們的出行需求，又能緩解化石能源短缺和尾氣排放等問(wèn)題。電池是新時(shí)代電子發(fā)展的新動(dòng)力，可以保障電子設(shè)備良好地工作，鋰離子作為一種能量高、壽命長(zhǎng)的清潔能源，在交通運(yùn)輸、手機(jī)、電腦等方面都發(fā)揮了重要作用。鋰離子電池研究技術(shù)發(fā)展固然迅速，但其檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展卻落后于研究技術(shù)，而人們發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)可以更好地幫助檢測(cè)電池性能。

目前鋰離子電池檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)形成了一個(gè)相對(duì)完整的體系，包括電池容量、跌落、擠壓、高強(qiáng)度工作、機(jī)械沖擊等性能測(cè)試，基本可以對(duì)電池的性能做出全面的評(píng)價(jià)。電池技術(shù)的發(fā)展，使人們不光關(guān)注電池使用周期，也更加注重電池的性能，這就對(duì)電池檢測(cè)提出更高要求。本文對(duì)鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)做出詳細(xì)介紹，深入研究計(jì)算機(jī)技術(shù)在鋰離子電池檢測(cè)的應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)在檢測(cè)鋰離子電池性能問(wèn)題中的工作原理。

1 鋰離子電池檢測(cè)重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)

電池使用的安全性是非常重要的，電池過(guò)充會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)反應(yīng)，電能轉(zhuǎn)換成熱能，進(jìn)而使電池內(nèi)部溫度升高，不僅會(huì)破壞電池內(nèi)部構(gòu)造，還會(huì)引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)，最后可能產(chǎn)生電池起火，甚至爆炸的問(wèn)題，電池的檢測(cè)就能很好地杜絕一些安全隱患。衡量電池品質(zhì)好壞的三個(gè)重要參數(shù)有開(kāi)路電壓、負(fù)載電壓和短路電流，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電池制造出廠時(shí)需要對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。目前，應(yīng)用最為廣泛的電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際電工委員會(huì)的鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，此外，還有許多國(guó)家及組織根據(jù)各自不同的需求制定了相關(guān)的鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)，雖然測(cè)試條件有所不同，但是測(cè)試的項(xiàng)目基本相同，如美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室、電氣及電子工程師學(xué)會(huì)和日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局制定的鋰離子電池檢測(cè)安全標(biāo)準(zhǔn)。

UL1642、GB8897.4等標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)鋰離子電池在運(yùn)輸中受到外部影響以及機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，模擬測(cè)試項(xiàng)目包括電池使用高度測(cè)試、適應(yīng)溫度測(cè)試、振動(dòng)、過(guò)度充電以及放電測(cè)試、撞擊擠壓測(cè)試、短路等方面，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求電池不能出現(xiàn)以下情況：漏液、破裂、爆炸、著火、質(zhì)量損壞等。上述測(cè)驗(yàn)的核心標(biāo)準(zhǔn)是鋰離子電池使用安全性，對(duì)電池安全風(fēng)險(xiǎn)的判定依據(jù)難以量化，只能通過(guò)被檢測(cè)電池的爆炸、泄漏或變形等來(lái)篩選有安全隱患的電池，并不能將危險(xiǎn)電池標(biāo)準(zhǔn)量化，不利于檢測(cè)出有潛在危險(xiǎn)的電池。

2 鋰離子電池檢測(cè)方法發(fā)展進(jìn)程

電池在出廠投入市場(chǎng)前都需要經(jīng)過(guò)檢測(cè)，早期電池都是通過(guò)手工檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)，目前已發(fā)展為半自動(dòng)檢測(cè)法。半自動(dòng)檢測(cè)法由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、參考電壓器、比較器、蜂鳴器等檢測(cè)儀器完成，測(cè)試原理主要是：給電池慢慢增大電流的同時(shí)，通過(guò)比較器將測(cè)得的電池電壓與參考電壓進(jìn)行比較，如果超過(guò)參考電壓，計(jì)算機(jī)會(huì)做出反應(yīng)，則蜂鳴器就會(huì)發(fā)出聲音，從而判別電池的好壞。這種方法雖然比傳統(tǒng)方法效率高了很多，但是仍需要人工參與將檢測(cè)表綁在電池正負(fù)兩極，而且工人工作時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)感到疲勞，可能會(huì)造成誤檢。

科學(xué)家又根據(jù)半自動(dòng)檢測(cè)法的缺點(diǎn)改進(jìn)研制出基于單片機(jī)檢測(cè)鋰離子電池的系統(tǒng)，其工作原理是：將檢測(cè)到電池電壓以及電流模擬量通過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，將數(shù)字量與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以此判斷電池參數(shù)是否符合規(guī)定要求。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)檢測(cè)鋰離子電池可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)參數(shù)，提高檢測(cè)效率。單片機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池參數(shù)的半自動(dòng)檢測(cè)，但是其速度還不能夠與現(xiàn)代電池高速生產(chǎn)線相匹配，只能將測(cè)得的幾個(gè)安全參數(shù)顯示出，而且也無(wú)法用圖表直觀的方式顯示，更不可能綜合分析電池參數(shù)。隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電池的安全性檢測(cè)也提出了更高的要求，各國(guó)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)可以很好地解決當(dāng)前檢測(cè)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，可以采用更高超的計(jì)算機(jī)技術(shù)檢測(cè)鋰離子電池相關(guān)參數(shù)。

3 鋰離子電池檢測(cè)中計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)于微米級(jí)的檢測(cè)方法研究也有了突破性的進(jìn)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域做出巨大貢獻(xiàn)的計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）正逐步地應(yīng)用到地質(zhì)勘探和材料學(xué)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)原理是掃描需檢測(cè)的樣品內(nèi)部構(gòu)造，根據(jù)構(gòu)造差異形成不同的斷層圖像，從而幫助人們了解樣品內(nèi)部的微觀構(gòu)造。將計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)應(yīng)用到電池檢測(cè)中，不僅能夠?qū)︿囯x子電池壽命和安全問(wèn)題進(jìn)行測(cè)試，還可以分析出電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

在電池老化程度方面，通過(guò)掃描分析出不同使用時(shí)間的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變可以發(fā)現(xiàn)電極形變程度與電池使用壽命成正比，即電池使用壽命越長(zhǎng)電極形變程度越大，當(dāng)電極形變達(dá)到一定限度時(shí)，電池的危險(xiǎn)系數(shù)上升，所以可以通過(guò)觀察掃描出的電極變形程度，分析出電池的老化程度以及安全隱患問(wèn)題。

在電池安全隱患方面，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)可以掃描出電池電極斷裂、褶皺、正負(fù)極對(duì)齊度差等相關(guān)問(wèn)題。計(jì)算機(jī)斷層技術(shù)具有較高的放大倍率功能，可以識(shí)別出電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷，電極出現(xiàn)褶皺會(huì)影響電池的容量與內(nèi)阻，進(jìn)而對(duì)電池的產(chǎn)熱造成影響，而計(jì)算機(jī)可以輕而易舉地將電極中的褶皺掃描出來(lái)，并可以以CT 圖像的方式呈現(xiàn)出。電池制造工藝的缺陷會(huì)造成電池內(nèi)部存在異物，電池內(nèi)部存在異物可能會(huì)造成電池內(nèi)部區(qū)域溫度過(guò)高，埋下安全隱患的種子。由于計(jì)算機(jī)掃描技術(shù)對(duì)于高密度材料敏感度十分高，所以對(duì)電池中金屬異物的檢測(cè)十分有幫助。另外，電池極片存在對(duì)齊度差也會(huì)產(chǎn)生安全隱患，對(duì)齊度差可能導(dǎo)致電池正負(fù)極不對(duì)稱，這主要是由電池制造工藝水平較低造成的，不僅對(duì)電池儲(chǔ)電量有影響，還會(huì)增加電池發(fā)生短路的風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)也可以將電池內(nèi)部極片對(duì)齊度掃描并呈現(xiàn)出，避免后續(xù)使用中電池內(nèi)部發(fā)生短路，大量放熱致使電池內(nèi)部溫度過(guò)高引發(fā)爆炸。

在電池安全測(cè)試方面，通過(guò)計(jì)算機(jī)掃描圖像可以發(fā)現(xiàn)，電池內(nèi)部呈現(xiàn)出整齊的正負(fù)極卷繞結(jié)構(gòu)，將電池放電至150%時(shí)，電池的整體結(jié)構(gòu)基本完整，但是出現(xiàn)細(xì)微的毛刺，此外電極在放電過(guò)程中有增厚的現(xiàn)象。在對(duì)電池進(jìn)行強(qiáng)烈擠壓或者針刺后，可以明顯地觀察到電池內(nèi)部受損嚴(yán)重，穿刺孔清晰可見(jiàn)，甚至電池內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，外界作用力改變了電池內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)。綜上所述，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)電池安全性分析及綜合評(píng)價(jià)有著舉足輕重的作用。

隨著電子產(chǎn)品種類越來(lái)越多，電池檢測(cè)工序也越來(lái)越繁瑣，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法依然不能滿足需求，因此，必須采用更高的技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)可以在不破壞電池包裝的基礎(chǔ)上，真實(shí)地還原電池內(nèi)部構(gòu)造情況，并且能夠以圖像的形式將其呈現(xiàn)。利用CT 技術(shù)可以有效地分析出電池內(nèi)部組裝情況、電極對(duì)齊度、安全隱患、老化程度等問(wèn)題，并為后續(xù)鋰離子電池制造工藝的創(chuàng)新提供指導(dǎo)性的價(jià)值，同時(shí)也促進(jìn)了鋰離子電池檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

綜上所述，社會(huì)上電池爆炸的新聞層出不窮，電池在被濫用的情況下會(huì)損壞甚至燃燒爆炸，危及到人們生命安全，鋰離子電池的安全性能已經(jīng)成為一個(gè)重要指標(biāo)。電池本身就會(huì)攜帶一些隱患問(wèn)題，不同的制造工藝、使用環(huán)境、使用方法等都會(huì)影響電池的安全性能，而有效的電池檢測(cè)方法可以幫助改善很多鋰離子電池存在的安全問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)技術(shù)可以應(yīng)用在電池檢測(cè)領(lǐng)域，為電池生產(chǎn)、檢測(cè)、維護(hù)提供技術(shù)幫助。計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)可以準(zhǔn)確地掃描出電池內(nèi)部的構(gòu)造，識(shí)別缺陷，鋰離子電池制造工藝結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠使我們更深入地掌握電池內(nèi)部情況，防止在使用過(guò)程中出現(xiàn)安全問(wèn)題。