CN102928506B - 锂离子电池的缺陷无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池的缺陷无损检测方法，包括以下步骤，1）通过信号发射端向待检测锂离子电池发射超声波信号，其信号强度为I0；2）信号接收端接收所述超声波信号透过待检测锂离子电池的超声波信号，其信号强度为与待检测锂离子电池各扫描点位置对应的一组信号强度数据，记为I1；3）将I1与I0相比生成一组与待测锂离子电池各扫描点位置对应的一组透射率t1，然后输出t1。本发明采用超声波对锂离子电池内部状态进行的无损检测，避免了多次充放电检测所带来的时间上的浪费，使用空气作为耦合媒介，通过分析不同区域的透射率，可以获得较高的检测速度与精度，还可精确获知存在缺陷的位置，这也是多次充放电所不能实现的。
Description
技术领域
本发明涉及电池制备技术领域，特别是涉及一种锂离子电池无损检测方法。
背景技术
锂离子电池（锂电池）具有电压高、比能量高、循环使用次数多、存储时间长等优点，不仅在便携式电子设备上如移动电话、数码摄像机和手提电脑得到广泛应用，而且也广泛应用于电动汽车、电动自行车以及电动工具等大中型电动设备方面，因此对锂离子电池的性能要求越来越高。
在制造锂离子电池时，受制造工艺的制约，电解液分布可能并不均匀，造成空气层或异物等缺陷，为控制质量，多数厂家通过多次充电放电或解剖的方法进行检测，但是这些检测方法成本高、周期长，所以就需要一种能实施便利检测周期短的检测方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种能实施便利检测周期短的锂离子电池缺陷的检测方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种锂离子电池的缺陷无损检测方法，包括以下步骤，
1）通过信号发射端向待检测锂离子电池发射超声波信号，其信号强度为I0；
2）信号接收端接收所述超声波信号透过待检测锂离子电池的超声波信号，其信号强度为与待检测锂离子电池各扫描点位置对应的一组信号强度数据，记为I1；
3）将I1与I0相比生成一组与待测锂离子电池各扫描点位置对应的一组透射率t1，然后输出t1。
所述的超声波信号为相对锂离子电池垂直入射。
所述的步骤3还包括数据处理步骤，其将t1与合格透射率t0相比，最终采用多种不同颜色表示t1与t0的倍数。
所述的t1在t0的十分之一以内为正常区域。
所述的锂离子电池为聚合物锂离子电池或方形锂离子电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用超声波对锂离子电池内部状态进行的无损检测，尤其是适用于聚合物以及方形锂离子电池，避免了多次充放电检测所带来的时间上的浪费，使用空气作为耦合媒介，通过分析不同区域的透射率，可以获得较高的检测速度与精度，还可精确获知存在缺陷的位置，这也是多次充放电所不能实现的。
附图说明
图1所示为超声波入射原理示意图；
图2所示为待测物体内有空气层时超声波入射原理示意图；
图3所示为超声波检测结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
理论分析
如图1所示为超声波入射原理示意图。设空气与被测物体的声阻抗分别为Z1与Z2；T12为空气到被测物体的超声波透射率，T21为被测物体到空气的超声波透射率；T121表示从空气到被测物体再到空气的超声波透射率，T12121表示从空气到被测物体然后到空气再到被测物体最后再到空气的超声波透射率，R12为空气到被测物体间的反射率，R21为被测物体到空气的反射率。
则R12=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)
R21=(Z1-Z2)/(Z2+Z1)=-R12
T12=1+R12
T21=1+R21
T121=T12×T21
=(1+R12)(1+R21)
=(1+R12)(1-R12)
=1-(R12)2
=1-[(Z2-Z1)/(Z2+Z1)]2
其中，声阻抗Z为该物质的密度ρ与声音在该物质中传播的音速C（此处使用纵波）的乘积，即Z=ρ×C。
图2所示为待测物体内有空气层时超声波入射原理示意图。若存在由空气构成的缺陷，则透射率
T12121=T12×T21×T12×T21=T121 2
其中，平面波的情况下，可以将声特性阻抗(Characteristic acousticimpedance)Z设为该物质的密度ρ与声音在该物质中传播的音速C（此处使用纵波）的乘积，即Z=ρ×C。
针对到具体实施例，空气的密度ρ=1.3kg/m3，超声波在空气中的传播速度C=340m/s。
锂离子电池的电池液密度ρ=1.870×103kg/m3，超声波在电池液中的传播速度C=3000m/s，需要指出的是此处应为均质电池模型的电池平均密度，并非电解液密度。因为电池里面不仅有电解液，还包括极片、隔膜等，若将每一种材料都单独列出，虽然计算结果与均质模型结果类似，但过程比较繁琐。例如，如果设电池内有不同的三种物质a、b、c依次排列，其声特性阻抗分别为Za、Zb与Zc则T=T1a×Tab×Tbc×Tcl，即取声波依次通过的每一种材料界面的透射率的乘积。但电池中实际情况显然不止是三种物质依次排列，若将数十层材料按照上述方式计算的话，将十分繁琐。故此处使用均质模型，计算的数值未必与实际测量值相同，但可以说明测量原理。其中，均质电池模型：将电池看做是除了缺陷部分以外，材料、密度、结构均匀一致的模型。
Z1=340m/s×1.3kg/m3=0.000442×106kg/(m2·s)
Z2=1.870×103×3000=5.610×106kg/(m2·s)
如果没有空气层，则由空气到电池再到空气的透射率为
T121=1-[(Z2-Z1)/(Z2+Z1)]2=3.151×10-4
如果存在空气层，则由空气到电池再到空气然后再次进入电池最终进入空气的透射率为
T12121=T121 2=9.929×10-8
根据上述透射率计算方法，显然，当电池中存在空气层或气泡时，其透射率仅为正常区域的合格透射率的万分之一。根据分析当透射率为正常区域的合格透射率的十分之一以内时可以判定电池内部状态较为均匀，当被测区域透射率不及正常区域的合格透射率十分之一时，可判定该区域存在空气层或异物。
基于上述理论分析，本发明的锂离子电池的缺陷无损检测方法，包括以下步骤，
1）将待检测方形锂离子电池放置在检测平台上，将超声波发射端设定输出端电压V=600V，输出波形为矩形脉冲波，频率f=330kHz；探头焦距38mm，设定扫描范围为电池的长与宽，然后通过信号发射端向待检测锂离子电池发射超声波信号，将信号发射端射出的超声波信号的信号强度设为I0；
2）超声波信号垂直射入方形锂离子电池内并从底面投射出，其中信号接收端和信号发射端分居待检测锂离子电池的两侧，信号接收端接收所述超声波信号透过方形锂离子电池的超声波信号，其中，接收到的超声波信号强度为一组与方形锂离子电池扫描位置相对应的信号强度信息，记为I1；
3）将所述超声波信号I1与超声波信号I0的强度进行比较，生成与各扫描点位置相对应的透射率t1，
4）输出所述测量结果，为便于更直观的看出是否有缺陷，对不同的透射率采用不同颜色进行标识，其中，为便于显示结果的直观性，定义一个合格透射率t0，t0为一个基于合格产品采用同等条件下信号接收端所能接收的信号强度与发射信号强度的比值，一般为一个平均值，针对不同的产品型号各t0值会不尽相同，在此不再描述。
将大于或等于t0值十分之一的t1值设定为底色，即为合格区域，而将不及t0值十分之一的t1值采用对比明显的颜色显示，即存在空气层或缺陷区，其中如图3所示，本附图中以白色表示合格区域，用带有斜线的值表示空气层或缺陷区，其中，斜线密度越大表示t1与t0的比值越小，有可能存在多个重叠的气泡或空气层缺陷，检测者可直观的发现该方形锂离子电池存在缺陷，并可获知存在缺陷的区域，便于产品质量的分析和改进等。
同样，该超声波检测方法也可应用于聚合物锂离子电池，其具体检测过程与上述方形锂离子电池类似，在此不再赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种锂离子电池的空气层缺陷无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤，
1)通过信号发射端向待检测锂离子电池发射超声波信号，其信号强度为I0；
2)信号接收端接收所述超声波信号透过待检测锂离子电池的超声波信号，其信号强度为与待检测锂离子电池各扫描点位置对应的一组信号强度数据，记为I1；
3)将I1与I0相比生成一组与待测锂离子电池各扫描点位置对应的一组透射率t1，然后将t1与合格透射率t0相比并输出结果。
2.如权利要求1所述的锂离子电池的空气层缺陷无损检测方法，其特征在于，所述的超声波信号为相对锂离子电池垂直入射。
3.如权利要求1或2所述的锂离子电池的空气层缺陷无损检测方法，其特征在于，采用多种不同颜色表示t1与t0的倍数。
4.如权利要求3所述的锂离子电池的空气层缺陷无损检测方法，其特征在于，所述的锂离子电池为方形锂离子电池或聚合物锂离子电池。
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