AlertCircle

本页与Internet Explorer不兼容。

出于安全考虑,我们建议你使用最新的浏览器,如Microsoft Edge、Google Chrome、Safari或Mozilla Firefox。

电池测试与开发

 使用工业计算机层析成像(CT)

电池测试与开发
 

电池是汽车和其他电动汽车(EV)中最昂贵且对安全性至关重要的组件之一。它对汽车的行驶里程影响最大,电池质量不佳可能会导致电池快速老化。锂离子电池(简称 LIB)是目前市场上最常见的电池。由于它们占车辆总成本的很大一部分,并且对安全性至关重要,因此必须使用最新的电池测试技术,以绝对的可靠性确保其完整性。

消费电子产品要求电池具有更高的能量密度。最近发生的事件表明,这些设备的安全性也必须得到保证,特别是如果将它们携带在人体上或放在公共交通工具上的手提行李中。 

既定设计的生产不仅是一个热门话题,电池也是研究领域一个非常热门的话题。从电池设计到组件的微观结构表征都是在研发方面所要面临的挑战。科学家们正在努力改善锂离子电池的阳极和阴极材料,并不断在探索新概念(如固态电池,其尚未具有固定内部设计)。

图 1:棱柱形 EV 电池(数据由 Waygate Technologies 提供)

图 2:智能手机电池(数据由 Volume Graphics / PP 提供)

挑战

从制造的角度来看,必须对电池进行测试,这样就可避免各种缺陷,从而实现电池的最大安全性。例如,锂离子电池的外壳必须完全封闭,因为电解质遇水会释放出剧毒的氢氟酸,这对人体和环境都是有害的。焊接外壳时可能产生的金属杂质会导致电池短路以及造成热失控。尽管分层现象、阴极极片或阳极极片厚度不均匀,以及阳极极片的突出部分不一致性都属于内部缺陷,并且它们不一定会导致灾难性故障,但它们却会降低电池的容量和使用寿命。 

对电动汽车或消费电子产品中的高性能电池不断优化,使其拥有更大的容量和性能的过程是一个持续的过程。通过改进制造工艺和电池几何形状,可以取得较小的进展。然而,如果要取得更大的进展,则必须开发全新的材料,这必然会存在自身的一系列挑战,例如在充电周期中硅阳极体积的巨大变化以及由此产生的机械应力。

Volume Graphics 解决方案:计算机层析成像(CT)提供了一套从电池研发到批量生产再到第二生命市场质量检测的整体方法

传统上,对电池会进行容量和电阻方面的电气测试。由于使用常规方法不能透过密封外壳查看其内部,所以往往无法发现机械缺陷。然而,使用计算机层析成像(CT)进行电池检测,您可以看到组装好的电池的内部。然后,通过 Volume Graphics 软件提供的各种有效工具,您可以分析这些数据来完成最终质量检查,从而消除对电池完整性的任何疑问。 

借助 VGSTUDIO MAX 软件,客户可以测试在各种场景下的电池,无论电池是由内部生产,由供应商提供,还是已经安装在预期组件中。使用 CT,您能查看电池内部并及时发现缺陷,从而避免了它们对组件安全性或可靠性的不良影响。

在研发中,用于表征电池活性材料的主要 3D 成像技术是采用聚焦离子束进行铣削并结合扫描电子显微镜进行分析(FIB-SEM)。如今,CT 技术已发展到可以实现高达 30 nm 体素尺寸的分辨率,这使其能够合理替代传统的微型计算机层析成像和 FIB-SEM。不管使用哪种图像来源,VGSTUDIO MAX 都能提供用于表征微观结构的工具,从而能够获得用于电池建模的统计数据,例如有关孔隙的粒度或弯曲度的统计信息。另外,通过数字体积相关计算,可以在更长时间内对三维位移进行量化,从而可以比较多次扫描(例如,在生命周期内或在成型过程之前和之后)。

基于 CT 的缺陷分析可用于识别单个孔隙和夹杂物,并确定它们的大小和形状(密度立方体 10x10x10 mm,AlSi10Mg;来源:FIT AG )

图 3a:电动牙刷的电池检测。为提高分辨率而仅扫描了电池和电子板的区域。

图 3b:电动牙刷的电池检测。外壳内的电池和电子板。

优势

使用 Volume Graphics,您就可以在开发和质量保证中采用工业 CT 来全面检查电池:

Volume Graphics 解决方案的详细信息

电池制造

为了演示电池生产中可能出现的问题,我们特意制作了有缺陷的电池,以使用工业 CT 和 Volume Graphics 软件分析各种缺陷。CT 数据由 Waygate Technologies 提供。

金属颗粒

菱柱形电池盖板通常与外壳焊接在一起。焊接参数选择不当会导致小的金属颗粒掉入电池内部,并损坏凝胶卷型电极组件内的隔离膜。使用 VGSTUDIO MAX 的夹杂物分析,您可以分析这些颗粒并量化其尺寸和位置,从而确定颗粒是否会产生严重影响。

图 4:具有金属夹杂物的棱柱形电池(数据由 Waygate Technologies 提供)

阳极极片的突出

阳极极片的突出是锂离子电池的重要安全标准。如果突出的部分过少,则会出现锂镀层(纯金属锂的沉淀),由此会损坏隔离膜并造成短路,在最坏的情况下会导致热失控。即使电池已经密封或安装在电气设备中,使用 CT 也可以让您检查是否有足够多的突出部分。

图 5:阳极极片的突出是锂离子电池安全的一个关键特征,可以通过计算机层析成像(CT)对其进行测量。此图像是采用颜色编码显示出的分析结果。

分层现象

虽然分层现象不一定会导致严重故障,但会降低电池的容量和使用寿命。并且还会引起锂镀层的生成,这会损坏隔离膜并导致电池的安全性出现严重的问题。使用 Volume Graphics 软件,您不仅可以在制造过程中可视化分层现象,还可以在后续维护中(如果多个充电周期后出现分层现象)可视化分层现象。

图 6a:通过检查垂直于各层的灰度值,可以识别出分层(具有较低灰度值的较大平稳段)。

图 6b:由卷绕的阳极极片、阴极极片和隔离膜构成的凝胶卷型电极组件。层与层之间出现的暗缝属于分层现象。

研发

优化

人们对阳极和阴极材料的表征研究一直没有中断过。通过使用 VGSTUDIO MAX 的粉末结构分析,您可以表征活性材料的每个单独颗粒的尺寸和形状,并在全局统计数据中对其进行量化。而且,可以在特定方向上检查尺寸分布,以观察粒径或形状相对于涂层厚度的变化。

图 7:电池活性材料中的颗粒可以根据粒度进行分离和颜色编码。

新电池概念

诸如固态电池之类的新电池概念可能需要全新的微观结构设计。由于固定的设计尚未成型,因此分析的方法也必须灵活。最近的例子是使用复制法制造的开孔陶瓷泡沫,其中聚合物泡沫涂覆有陶瓷粉末。聚合物在烧结过程中燃烧,并在结构中留下空心支柱。使用 VGSTUDIO MAX 软件,您可以表征开孔泡沫的各个单元格和支柱中的空心通道,并在易于使用的工作流程中对其进行量化。

图 8:陶瓷泡沫是未来固态电池中电解质材料的潜在候选者。由于使用复制法制造工艺,在支柱中会有较细的通道(蓝色)。

评估

Volume Graphics 时事通讯用于一般客户信息、广告和市场研究。 您可以随时在我们的网站上或通过每个时事通讯末尾的链接取消订阅时事通讯。 如果您已收到我们的时事通讯但不再希望收到更多信息,您可以在此处取消订阅时事通讯。
标记 * 的空格为必填。