CN108387594A - 一种无损检测叠片式锂离子电池的方法和系统 - Google Patents

一种无损检测叠片式锂离子电池的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无损检测叠片式锂离子电池的方法和系统，所述方法包括：依次向叠片式锂离子电池的每层电芯极片发射X射线，其中，所述X射线的入射方向平行于电池的待检测的每层电芯极片，且所述X射线环绕所述电芯极片从多个不同方向进行扫描；依次采集环绕每层电芯极片从不同方向发射的X射线穿透每层电芯极片前和穿透每层电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度；根据采集的所述X射线的强度和每层电芯极片的厚度，确定每层电芯极片上的各点对X射线的衰减系数，并生成每层电芯极片的二维图像和叠片式锂离子电池的三维图像。所述方法基于X射线断层扫描技术对叠片式锂离子电池的电芯极片进行扫描，实现了对电池状态的在线监测。

Description

一种无损检测叠片式锂离子电池的方法和系统
技术领域
本发明涉及锂离子电池无损检测领域，并且更具体地，涉及一种无损检测叠片式锂离子电池的方法和系统。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、额定电压高、倍率性能好等优势，不仅在便携式电子产品领域迅猛发展，近年来在大规模储能、新能源汽车领域也得到了广泛应用。但是国内外频发的电池相关的安全事故，使得电池的安全性、可靠性问题受到了人们的高度关注，开展锂离子电池性能衰减和电池安全问题的分析研究也日益迫切。
锂离子失效机理研究常用的测试分析方法分为有损检测和无损检测。目前所采用的测试方法多为有损检测方法，选取一批锂离子电池进行长期的循环寿命测试，在不同节点处进行拆解，综合分析推测电池的反应机理。但是这种方法存在样本量大、研究周期长、操作流程复杂繁琐等明显缺点。而且这种拆解分析的方法，中断了电池的反应历程，难以实现老化过程中电池性能衰退规律的连续检测，不能直接和直观地观测电池内部的变化，只能通过对试验数据的分析结合，推测电池内部变化和反应机理，无法实现在电池使用中或不破坏电池的情况下进行电池性能的在线监测。
因此，在不破坏电池的前提下，对电池进行无损检测对于高效直观的监测电池实时内部状态，准确反映电池失效的反应机理至关重要，但现有技术中缺乏检测效果好，检测方便的无损检测方法和系统。
发明内容
为了解决背景技术存在的现有技术中缺乏检测效果好、检测方便的无损检测叠片式锂离子电池的方法和系统的技术问题，本发明提供一种无损检测叠片式锂离子电池的方法，所述方法包括：
依次向叠片式锂离子电池的每层电芯极片发射X射线，其中，所述X射线的入射方向平行于叠片式锂离子电池的待检测的每层电芯极片，且所述X射线环绕所述电芯极片从多个不同方向进行扫描；
依次采集环绕每层电芯极片从不同方向发射的X射线穿透每层电芯极片前和穿透每层电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度；
根据采集的所述X射线的强度和每层电芯极片的厚度，确定每层电芯极片上的各点对X射线的衰减系数，并生成每层电芯极片的二维图像和叠片式锂离子电池的三维图像。
进一步地，所述方法适用于由均匀介质构成的电芯极片或者由不均匀介质构成的电芯极片。
进一步地，当X射线穿过的电芯极片由均匀介质构成时，计算每层电芯极片衰减系数μ的公式为：
式中，I0是入射X射线的初始强度，I是透过待检测电芯极片后输出的X射线强度，x是待检测电芯极片厚度。
进一步地，当X射线穿过的电芯极片由不均匀介质构成时，计算所述电芯极片的衰减系数包括：
设电芯极片由n个厚度为△x的无限小的连续均匀介质单元构成，所述每个均匀介质单元对X射线衰减系数为μi，入射X射线初始强度为I0，X射线穿透每个均匀介质单元后的强度为Ii，其中1≤i≤n，则计算每个均匀介质单元在某个X射线入射方向上的断层衰减系数μi的公式为：
即
将上式进行转换可得：
ln(I0/In)＝(μ1+μ2+….+μn)△x
所述公式即为X射线在一个入射方向上所述电芯极片的衰减系数总和；
改变X射线入射方向，使X射线从不同方向穿过所述电芯极片，建立多个联立方程式，即可算出所述电芯极片各个小单元的衰减系数。
进一步地，根据相邻两层电芯极片之间的距离设置X射线扫描电极芯片的距离。
进一步地，根据采集的所述X射线的强度和每层电芯极片的厚度，确定每层电芯极片上的各点对X射线的衰减系数，并生成每层电芯极片的二维图像和叠片式锂离子电池的三维图像包括：
采集从每层电芯极片不同方向穿过的X射线在穿过电芯极片前和穿过电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度，并传输到计算机；
计算机将接收的所有数据通过数学算法进行运算处理，确定每层电芯极片上各点对X射线的衰减系数，排列成数字矩阵；
将数字矩阵中的每个数字转化为由黑到白不同灰度的小方块，以灰阶的形式在显示器上显示，构成计算机断层扫描图像，其中，对每层电芯极片扫描得到二维图像，将每层电芯极片的数据再经计算机处理，通过多个二维图像生成叠片式锂离子电池的立体三维图像。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种无损检测叠片式锂离子电池的系统，所述系统包括：
射线源单元，其用于依次向叠片式锂离子电池的每层电芯极片发射X射线，其中，所述X射线的入射方向平行于叠片式锂离子电池的待检测的每层电芯极片，且所述X射线环绕所述电芯极片从多个不同方向进行扫描；
数据采集单元，其用于依次采集环绕每层电芯极片从不同方向发射的X射线穿透每层电芯极片前和穿透每层电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度；
数据处理单元，其用于根据采集的所述X射线的强度和每层电芯极片的厚度，确定每层电芯极片上的各点对X射线的衰减系数，并生成每层电芯极片的二维图像和叠片式锂离子电池的三维图像。
进一步地，所述系统适用于由均匀介质构成的电芯极片或者由不均匀介质构成的电芯极片。
进一步地，所述射线源单元还用于根据相邻两层电芯极片之间的距离设置X射线扫描电极芯片的距离。
进一步地，所述数据处理单元包括：
数据存储单元，其用于接收并存储数据采集单元传输的从每层电芯极片不同方向穿过的X射线在穿过电芯极片前和穿过电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度；
运算单元，其用于将数据存储单元存储的数据通过数学算法进行运算处理，求出每层电芯极片上各点对X射线的衰减系数，排列成数字矩阵；
图像生成单元，其用于将数字矩阵中的每个数字转化为由黑到白不同灰度的小方块，以灰阶的形式在显示器上显示，构成计算机断层扫描图像，其中，对每层电芯极片扫描得到二维图像，将每层电芯极片的数据再经计算机处理，通过多个二维图像生成叠片式锂离子电池的立体三维图像。
通过本发明所提供的基于X射线断层扫描的叠片式锂离子电池无损检测方法和系统，实现了在不破坏、不扰动电池状态的前提下对电池内部缺陷、失效机制的高效直观的在线监测，不仅能定性的判断电池内部缺陷的存在，而且能准确的定位缺陷和失效发生的位置及形态、大小等；而且通过本发明得到的二维三维图像清晰、密度分辨率高、测试方便高效。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1是现有技术中的X射线检测物体的原理图；
图2是本发明具体实施方式中X射线检测物体的原理图；
图3是本发明具体实施方式的无损检测叠片式锂离子电池的方法的流程图；
图4是本发明具体实施方式的无损检测非均匀介质构成的叠片式锂离子电池的原理图；
图5是本发明具体实施方式的无损检测叠片式锂离子电池的系统的结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1是现有技术中的X射线检测物体的原理图。如图1所示，在普通射线检测中，三维物体被投影到二维平面上，射线的入射方向与被检测层的方向垂直，射线将不可避免的经过被检测层以外的结构，造成图像信息的重叠，虽然能定性得检测到物体内部缺陷的存在，但难以对缺陷进行准确的定位和定量的测量。
图2是本发明具体实施方式中X射线检测物体的原理图。如图2所示，在X射线断层扫描中，当射线入射方向与被检测层相互平行，使射线不经过被检测断层以外的结构，则能有效的避免重叠图像的干扰，射线从多个方向透射过被检测层，并对物体的多个断层进行检测，通过计算机对采集的数据进行二维及三维图像重建，X射线断层扫描就能给出被检测物体的多个断层二维图像和物体的三维图像，从图像上可直观的反应出被检测物体缺陷或失效的空间位置、尺寸等信息。
本发明中将X射线断层扫描技术应用于锂离子电池无损检测中，基于叠片式锂离子电池特殊的极片组装结构，X射线断层扫描技术可高效直观的反映电池内部缺陷与失效的信息，如电池结构变形、极片活性物质破裂掉粉等，便于挖掘电池性能衰退机制和安全隐患，优化电池材料制备和制造工艺，指导电池性能提升和技术改进。
图3是本发明具体实施方式的无损检测叠片式锂离子电池的方法的流程图。如图3所示，本发明所述无损检测叠片式锂离子电池的方法从步骤301开始。
在步骤301，依次向叠片式锂离子电池的每层电芯极片发射X射线，其中，所述X射线的入射方向平行于叠片式锂离子电池的待检测的每层电芯极片，且所述X射线环绕所述电芯极片从多个不同方向进行扫描；
在步骤302，依次采集环绕每层电芯极片从不同方向发射的X射线穿透每层电芯极片前和穿透每层电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度；
在步骤303，根据采集的所述X射线的强度和每层电芯极片的厚度，确定每层电芯极片上的各点对X射线的衰减系数，并生成每层电芯极片的二维图像和叠片式锂离子电池的三维图像。
优选地，所述方法适用于由均匀介质构成的电芯极片或者由不均匀介质构成的电芯极片。
优选地，当X射线穿过的电芯极片由均匀介质构成时，计算每层电芯极片衰减系数μ的公式为：
式中，I0是入射X射线的初始强度，I是透过待检测电芯极片后输出的X射线强度，x是待检测电芯极片厚度。
图4是本发明具体实施方式的无损检测非均匀介质构成的叠片式锂离子电池的原理图。如图4所示，当叠片式锂离子电池的电芯极片是不均匀介质时，可将所述电芯极片视为由n个厚度为为△x的无限小的连续均匀介质单元构成，X射线平行于电芯极片穿透每一个厚度为△x的均匀介质单元时，X射线的强度都进行一次衰减，因此当X射线穿过的电芯极片由不均匀介质构成时，计算所述电芯极片的衰减系数包括：
设电芯极片由n个厚度为△x的无限小的连续均匀介质单元构成，所述每个均匀介质单元对X射线衰减系数为μi，入射X射线初始强度为I0，X射线穿透每个均匀介质单元后的强度为Ii，其中1≤i≤n，则计算每个均匀介质单元在某个X射线入射方向上的断层衰减系数μi的公式为：
即
将上式进行转换可得：
ln(I0/In)＝(μ1+μ2+….+μn)△x
所述公式即为X射线在一个入射方向上所述电芯极片的衰减系数总和；
改变X射线入射方向，使X射线从不同方向穿过所述电芯极片，建立多个联立方程式，即可算出所述电芯极片各个小单元的衰减系数。
优选地，根据相邻两层电芯极片之间的距离设置X射线扫描电极芯片的距离。
优选地，根据采集的所述X射线的强度和每层电芯极片的厚度，确定每层电芯极片上的各点对X射线的衰减系数，并生成每层电芯极片的二维图像和叠片式锂离子电池的三维图像包括：
采集从每层电芯极片不同方向穿过的X射线在穿过电芯极片前和穿过电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度，并传输到计算机；
计算机将接收的所有数据通过数学算法进行运算处理，确定每层电芯极片上各点对X射线的衰减系数，排列成数字矩阵；
将数字矩阵中的每个数字转化为由黑到白不同灰度的小方块，以灰阶的形式在显示器上显示，构成计算机断层扫描图像，其中，对每层电芯极片扫描得到二维图像，将每层电芯极片的数据再经计算机处理，通过多个二维图像生成叠片式锂离子电池的立体三维图像。通过二维图像，可以得到电池各个极片上的密度分布，可准确定位存在内部缺陷的具体极片，并直观的得到极片上缺陷位置及形态尺寸信息。三维图像则反映整个电池的密度分布，可观测缺陷在电池整体的空间位置分布情况和电池不同结构处发生的失效形式，便于电池安全风险评估和电池性能衰退机制分析。
图5是本发明具体实施方式的无损检测叠片式锂离子电池的系统的结构图。如图5所示，本发明所述的无损检测叠片式锂离子电池的系统500包括：
射线源单元501，其用于依次向叠片式锂离子电池的每层电芯极片发射X射线，其中，所述X射线的入射方向平行于叠片式锂离子电池的待检测的每层电芯极片，且所述X射线环绕所述电芯极片从多个不同方向进行扫描；
数据采集单元502，其用于依次采集环绕每层电芯极片从不同方向发射的X射线穿透每层电芯极片前和穿透每层电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度；
数据处理单元503，其用于根据采集的所述X射线的强度和每层电芯极片的厚度，确定每层电芯极片上的各点对X射线的衰减系数，并生成每层电芯极片的二维图像和叠片式锂离子电池的三维图像。
优选地，所述系统适用于由均匀介质构成的电芯极片或者由不均匀介质构成的电芯极片。
优选地，所述射线源单元501还用于根据相邻两层电芯极片之间的距离设置X射线扫描电极芯片的距离。
优选地，所述数据处理单元503包括：
数据存储单元531，其用于接收并存储数据采集单元传输的从每层电芯极片不同方向穿过的X射线在穿过电芯极片前和穿过电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度；
运算单元532，其用于将数据存储单元存储的数据通过数学算法进行运算处理，求出每层电芯极片上各点对X射线的衰减系数，排列成数字矩阵；
图像生成单元533，其用于将数字矩阵中的每个数字转化为由黑到白不同灰度的小方块，以灰阶的形式在显示器上显示，构成计算机断层扫描图像，其中，对每层电芯极片扫描得到二维图像，将每层电芯极片的数据再经计算机处理，通过多个二维图像生成叠片式锂离子电池的立体三维图像。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该【装置、组件等】”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (10)

1.一种无损检测叠片式锂离子电池的方法，其特征在于，所述方法包括：
依次向叠片式锂离子电池的每层电芯极片发射X射线，其中，所述X射线的入射方向平行于叠片式锂离子电池的待检测的每层电芯极片，且所述X射线环绕所述电芯极片从多个不同方向进行扫描；
依次采集环绕每层电芯极片从不同方向发射的X射线穿透每层电芯极片前和穿透每层电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度；
根据采集的所述X射线的强度和每层电芯极片的厚度，确定每层电芯极片上的各点对X射线的衰减系数，并生成每层电芯极片的二维图像和叠片式锂离子电池的三维图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法适用于由均匀介质构成的电芯极片或者由不均匀介质构成的电芯极片。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当X射线穿过的电芯极片由均匀介质构成时，计算每层电芯极片衰减系数μ的公式为：
式中，I0是入射X射线的初始强度，I是透过待检测电芯极片后输出的X射线强度，x是待检测电芯极片厚度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当X射线穿过的电芯极片由不均匀介质构成时，计算所述电芯极片的衰减系数包括：
设电芯极片由n个厚度为△x的无限小的连续均匀介质单元构成，所述每个均匀介质单元对X射线衰减系数为μi，入射X射线初始强度为I0，X射线穿透每个均匀介质单元后的强度为Ii，其中1≤i≤n，则计算每个均匀介质单元在某个X射线入射方向上的断层衰减系数μi的公式为：
Ii＝Ii-1×e-μ i △x
即I1＝I0×e-μ 1 △x，I2＝I1×e-μ 2 △x，….In-1＝In-2×e-μ n-1 △x，In＝In-1×e-μ n △x
将上式进行转换可得：
ln(I0/In)＝(μ1+μ2+….+μn)△x
所述公式即为X射线在一个入射方向上所述电芯极片的衰减系数总和；
改变X射线入射方向，使X射线从不同方向穿过所述电芯极片，建立多个联立方程式，即可算出所述电芯极片各个小单元的衰减系数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据相邻两层电芯极片之间的距离设置X射线扫描电极芯片的距离。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据采集的所述X射线的强度和每层电芯极片的厚度，确定每层电芯极片上的各点对X射线的衰减系数，并生成每层电芯极片的二维图像和叠片式锂离子电池的三维图像包括：
采集从每层电芯极片不同方向穿过的X射线在穿过电芯极片前和穿过电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度，并传输到计算机；
计算机将接收的所有数据通过数学算法进行运算处理，确定每层电芯极片上各点对X射线的衰减系数，排列成数字矩阵；
将数字矩阵中的每个数字转化为由黑到白不同灰度的小方块，以灰阶的形式在显示器上显示，构成计算机断层扫描图像，其中，对每层电芯极片扫描得到二维图像，将每层电芯极片的数据再经计算机处理，通过多个二维图像生成叠片式锂离子电池的立体三维图像。
7.一种无损检测叠片式锂离子电池的系统，其特征在于，所述系统包括：
射线源单元，其用于依次向叠片式锂离子电池的每层电芯极片发射X射线，其中，所述X射线的入射方向平行于叠片式锂离子电池的待检测的每层电芯极片，且所述X射线环绕所述电芯极片从多个不同方向进行扫描；
数据采集单元，其用于依次采集环绕每层电芯极片从不同方向发射的X射线穿透每层电芯极片前和穿透每层电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度；
数据处理单元，其用于根据采集的所述X射线的强度和每层电芯极片的厚度，确定每层电芯极片上的各点对X射线的衰减系数，并生成每层电芯极片的二维图像和叠片式锂离子电池的三维图像。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统适用于由均匀介质构成的电芯极片或者由不均匀介质构成的电芯极片。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述射线源单元还用于根据相邻两层电芯极片之间的距离设置X射线扫描电极芯片的距离。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述数据处理单元包括：
数据存储单元，其用于接收并存储数据采集单元传输的从每层电芯极片不同方向穿过的X射线在穿过电芯极片前和穿过电芯极片后的强度，以及每层电芯极片的厚度；
运算单元，其用于将数据存储单元存储的数据通过数学算法进行运算处理，求出每层电芯极片上各点对X射线的衰减系数，排列成数字矩阵；
图像生成单元，其用于将数字矩阵中的每个数字转化为由黑到白不同灰度的小方块，以灰阶的形式在显示器上显示，构成计算机断层扫描图像，其中，对每层电芯极片扫描得到二维图像，将每层电芯极片的数据再经计算机处理，通过多个二维图像生成叠片式锂离子电池的立体三维图像。
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