CN106979761A - 一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，包括：(1)选取待测试样品；(2)获取样品未测试前的波形信号；(3)对测试样品进行组装电池实验；(4)取出组装后的样品获取测试后的波形信号；(5)通过与测试样品初始波形信号对比，分析其厚度和表面形貌差异信息；(6)确定样品厚度和表面形貌变化。本发明技术方案通过测量锂离子电池内部各层级的厚度和表面形貌，掌握锂离子电池在使用过程中厚度和表面形貌的变化情况，发现电池内部存在的安全隐患，提高锂离子电池在运行过程中的安全性。

Description

一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法
技术领域
本发明涉及储能技术领域，更具体涉及一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法。
背景技术
锂离子电池在使用过程中，其内部各层级(电池壳、正极、负极和隔膜)的厚度和表面形貌会发生变化，这些变化有些是可逆的，有些是不可逆的。在这些不可逆的变化中，随着变化程度的增加，可能会导致电池内部形成缺陷，增加电池使用过程中的隐患。目前对锂离子电池内部各层级厚度和表面形貌的分析方法，主要是在水分和氧气含量极低的手套箱内对电池进行拆解，测量各层级的厚度，然后对各层级的样品进行处理，进行扫描电镜或投射电镜的分析，研究各层级表面形貌的变化。这种方法虽然能很准确的掌握锂离子电池内部各层级厚度和表面形貌的变化情况，但由于要拆解电池，也就破坏了电池，该电池无法再继续使用，因此，需要开发针对锂离子电池内部各层级厚度和表面形貌的无损检测方法。
超声波由于其能够快速、便捷、无损伤、精确地在工件内部传播，因材料的声学特性和内部组织的变化对超声波传播产生一定的影响，通过对超声波受到影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化而在工业上被用于对工件内部多种缺陷(裂纹、疏松、气孔、夹杂等)的检测、定位、评估和诊断。广泛应用在锅炉、压力容器、航天、航空、电力、石油、化工、海洋石油、管道、军工、船舶制造、汽车、机械制造、冶金、金属加工业、钢结构、铁路交通、核能电力、高校等行业。
超声波时域反射(UTDR)是基于超声波在通过不同声阻抗组织界面时会发生较强反射的原理工作，声波在从一种介质传播到另外一种介质的时候在两者之间的界面处会发生反射，而且介质之间的差别越大反射就会越大，所以可以对一个物体发射出穿透力强、能够直线传播的超声波，然后对反射回来的超声波进行接收并根据这些反射回来的超声波的先后、幅度等情况就可以判断出这个组织中含有的各种介质的大小、分布情况以及各种介质之间的对比差别程度等信息(其中反射回来的超声波的先后可以反映出反射界面离探测表面的距离，幅度则可以反映出介质的大小、对比差别程度等特性)，从而判断出该被测物体厚度信息、表面形貌并研究其内部结构。
低频的超声波穿透性强但是分辨率不高，高频的超声波在穿过同样厚度样品时展现更好的分辨率但是衰减很快，通过调整超声波脉冲能量能提供更大的渗透力量但有可能产热并损坏样品，所以在试验中需要选择合适的超声波频率至关重要。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的缺陷，提供一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，发现电池内部存在的安全隐患，提高锂离子电池在运行过程中的安全性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，包括：
(1)选取待测试样品；
(2)获取样品未测试前的波形信号；
(3)对测试样品进行组装电池实验；
(4)取出组装后的样品获取测试后的波形信号；
(5)通过与测试样品初始波形信号对比，分析其厚度和表面形貌差异信息；
(6)确定样品厚度和表面形貌变化。
待测试样品未测试前的信号和测试后的信号均通过超声时域发射器和超声时域接收器获得。
利用超声时域发射器对测试样品或组装后的样品发射超声脉冲信号，超声脉冲信号根据测试样品或组装后的样品的厚度进行周期性反射并通过超声时域接收器接收，同时在示波器上显示与信号相对应的波形信号。
在待测试样品进行测试前，将耦合剂涂在待测试样品与超声时域发射器或超声时域接收器的接触面，使两者紧密接触。
所述对测试样品进行组装电池实验的过程包括在待测试样品远离超声时域发射器的一边叠加铝箔或涂布石墨。
所述脉冲信号发射器的频率为2-100MHz。
所述脉冲信号发射器的频率为10MHz，微调超声波频率得到清晰的波形信号。
在组装后的样品进行测试前，将耦合剂涂在组装后的样品与超声时域发射器或超声时域接收器接触面，使组装后的样品和超声时域发射器或超声时域接收器紧密接触。
当待测试样品远离超声时域发射器的一边叠加铝箔时，将耦合剂涂在铝箔、测试样品与超声时域发射器或超声时域接收器的接触面，并紧密接触；
当待测试样品远离超声时域发射器的一边涂布石墨时，将耦合剂涂在测试样品上未涂布石墨面与超声时域发射器或超声时域接收器的接触面，并紧密接触。
所述待测样品为锂离子电池各层。
通过波形信号分析测试样品厚度、厚度变化及表面形貌改变；通过超声波在不同材料中不同传递速度及传递时间计算测试样品各层级厚度；通过对比前后波形信号差异分析厚度变化及表面形貌变化；每个层级区域的变化根据所述波形信号的峰强、峰宽及峰位移的变化确定。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明技术方案根据信号波的变化来分析和探索各层厚度、表面形貌及其测试前后变化；
2、本发明技术方案对于锂离子电池各层级的分析是根据脉冲反射回来的信号并在示波器上显示的特定波形，不同的材料和不同的厚度都对应于不同的波形，有利于辨识和具有特定性和针对性；
3、本发明技术方案简单易操作，设备投资小，测试时间短，能用于商业锂离子电池的检测，能大规模的应用；
4、本发明技术方案通过测量锂离子电池内部各层级的厚度和表面形貌，掌握锂离子电池在使用过程中厚度和表面形貌的变化情况，发现电池内部存在的安全隐患，提高锂离子电池在运行过程中的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例的超声时域反射检测锂离子电池各层表面沉积示意图；
图2为本发明实施例的超声时域反射检测锂离子电池肿胀示意图；
图3为本发明实施例的超声时域反射检测锂离子电池压实示意图；
图4为本发明实施例的超声时域反射检测钢片厚度示意图；
图5为本发明实施例的超声时域反射检测钢片及钢片叠加铝箔厚度示意图。
具体实施方式
本例的发明提供一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，通过以下步骤来实现：
(1)选取待测样品；
(2)获取样品未测试前信号；
(3)组装电池进行实验；
(4)取出样品获取测试后信号；
(5)与样品初始信号对比分析厚度、表面形貌差异信息；
(6)描述样品厚度、表面形貌变化。
待测样品信号通过超声时域发射器和超声时域接收器获得，脉冲信号发射器频率在2-100MHz之间，信号在示波器上形成对应波形信号，通过波形信号分析样品厚度、厚度变化及表面形貌改变。通过超声波在不同材料中不同传递速度及传递时间计算各层级厚度；通过对比前后信号差异分析厚度变化及表面形貌变化。每个层级区域的变化根据所述波形信号的峰强、峰宽及峰位移的变化确定。如图1-3所示。
以锂离子电池各层为样品，利用超声时域发射器对各层发射超声脉冲信号，信号会根据样品厚度进行周期性反射并通过接收器接收，同时在示波器上显示相对应的特定波形。由于样品的沉积会导致波的传递距离和速度发生改变，肿胀和压实会导致波的传递距离改变，所述波形变化包括峰强、峰宽及峰位移的变化；通过观察周期的改变，若周期变长/变短则对应厚度增大/降低，通过Δd＝1/2c(Z2-Z1)(Δd为样品厚度在肿胀或压实情况下的变化，c为超声波在样品中传递速度，Z1为样品测试前波形周期，Z2为样品测试后波形周期)。根据峰强的变化确定沉积物类别，进而确定超声波在沉积层传递速度，从而根据峰宽变化确定沉积层厚度和表面形貌的变化。
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
将钢片作为基体，将频率为10MHz超声探头作为超声脉冲发射器，取一定量的耦合剂涂在钢片与超声波发生/接收探头接触面，紧密接触，打开示波器和脉冲发生器，调整超声波频率至与样品厚度吻合，进行测试，将测试结果进行分析，得到钢片厚度周期信号。如图2所示。
实施例2：
将铝箔作为基体，将频率为10MHz超声探头作为超声脉冲发射器，取一定量的耦合剂涂在铝箔与超声波发生/接收探头接触面，紧密接触，打开示波器和脉冲发生器，调整超声波频率至与样品厚度吻合，进行测试，将测试结果进行分析，得到铝箔厚度周期信号。
实施例3：
将正极壳作为基体，将频率为10MHz超声探头作为超声脉冲发射器，取一定量的耦合剂涂在正极壳与超声波发生/接收探头接触面，紧密接触，打开示波器和脉冲发生器，调整超声波频率至与样品厚度吻合，进行测试，将测试结果进行分析，得到正极壳厚度周期信号。
实施例4：
将钢片作为基体，将频率为10MHz超声探头作为超声脉冲发射器，取一定量的耦合剂涂在钢片与超声波发生/接收探头接触面，紧密接触，打开示波器和脉冲发生器，调整超声波频率至与样品厚度吻合，进行测试，将测试结果进行分析，得到钢片厚度周期信号。在钢片远离超声探头一边叠加铝箔，取一定量的耦合剂涂在铝箔、钢片与超声波发生/接收探头接触面，紧密接触，打开示波器和脉冲发生器，调整超声波频率至与样品厚度吻合，进行测试，将测试结果进行分析，通过与钢片周期比较得到周期波宽变化，结合超声波在铝箔中的传输速度，得到铝箔厚度。如图3所示。
实施例5：
将钢片作为基体，将频率为10MHz超声探头作为超声脉冲发射器，取一定量的耦合剂涂在钢片与超声波发生/接收探头接触面，紧密接触，打开示波器和脉冲发生器，调整超声波频率至与样品厚度吻合，进行测试，将测试结果进行分析，得到钢片厚度周期信号。在钢片远离超声探头一边涂布石墨，取一定量的耦合剂涂在钢片未涂布石墨面与超声波发生/接收探头接触面，紧密接触，打开示波器和脉冲发生器，调整超声波频率至与样品厚度吻合，进行测试，将测试结果进行分析，通过与钢片周期比较得到周期波宽变化，结合超声波在石墨中的传输速度，得到石墨涂层厚度，根据峰强的变化和偏移，确定石墨层表面形貌及内部结构。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，其特征在于：包括：
(1)选取待测试样品；
(2)获取样品未测试前的波形信号；
(3)对测试样品进行组装电池实验；
(4)取出组装后的样品获取测试后的波形信号；
(5)通过与测试样品初始波形信号对比，分析其厚度和表面形貌差异信息；
(6)确定样品厚度和表面形貌变化。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，其特征在于：待测试样品未测试前的信号和测试后的信号均通过超声时域发射器和超声时域接收器获得。
3.如权利要求2所述的一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，其特征在于：利用超声时域发射器对测试样品或组装后的样品发射超声脉冲信号，超声脉冲信号根据测试样品或组装后的样品的厚度进行周期性反射并通过超声时域接收器接收，同时在示波器上显示与信号相对应的波形信号。
4.如权利要求1或2所述的一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，其特征在于：在待测试样品进行测试前，将耦合剂涂在待测试样品与超声时域发射器或超声时域接收器的接触面，使两者紧密接触。
5.如权利要求1或2所述的一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，其特征在于：所述对测试样品进行组装电池实验的过程包括在待测试样品远离超声时域发射器的一边叠加铝箔或涂布石墨。
6.如权利要求3所述的一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，其特征在于：所述脉冲信号发射器的频率为2-100MHz。
7.如权利要求6所述的一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，其特征在于：所述脉冲信号发射器的频率为10MHz，微调超声波频率得到清晰的波形信号。
8.如权利要求1所述的一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，其特征在于：在组装后的样品进行测试前，将耦合剂涂在组装后的样品与超声时域发射器或超声时域接收器接触面，使组装后的样品和超声时域发射器或超声时域接收器紧密接触。
9.如权利要求1所述的一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，其特征在于：所述待测样品为锂离子电池各层。
10.如权利要求3所述的一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法，其特征在于：通过波形信号分析测试样品厚度、厚度变化及表面形貌改变；通过超声波在不同材料中不同传递速度及传递时间计算测试样品各层级厚度；通过对比前后波形信号差异分析厚度变化及表面形貌变化；每个层级区域的变化根据所述波形信号的峰强、峰宽及峰位移的变化确定。
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