CN109884091A - 一种用于锂离子电池结构内部变形场的快速测试技术 - Google Patents
一种用于锂离子电池结构内部变形场的快速测试技术 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于锂离子电池结构内部变形场的快速测试技术，该方法先在正负极集流体上涂布浆料得到电极片；然后在一次涂布后的电极片表面添加微米尺寸内部标识点；在电极片两面进行浆料的二次涂布，然后将制备好的含内部标识点的电极片做成锂离子电池；然后，通过调节CT成像系统参数，在较好的内部标识点体素特征对比度下尽量缩短单幅投影的曝光时间，实现快速成像；结合数字体相关内部变形测量方法，获取锂离子电池内部三维全场位移和全场应变。本发明用于解决锂离子电池在不同充放电阶段和多周循环过程中的内部变形场原位快速测量问题。对比现有技术，本发明缩短了单幅投影的曝光时间和CT成像时间，大幅减少辐射损伤。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池结构内部变形场的快速测试技术，属于材料和结构内部观测技术领域。
背景技术
传统商业化锂离子电池正负极材料在充放电过程中变形一般不超过10％，结构失效和容量衰减问题不是非常突出。但近年来随着高容量合金类负极材料(如硅、锗、锡等)的出现，在嵌/脱锂过程中这类材料过大的体积变形导致结构失效和可逆容量衰减。由这类材料组成的锂离子电池伴随着突出的电化学-力-热耦合行为，无论是微观的电极层面，还是宏观的单体电池和电池组层面，由电池内部体积变形引起的结构失效等问题是限制其商业化应用的关键因素之一。
目前还没有关于真实锂离子电池内部变形场测量实验报道，尤其缺乏锂离子电池在多周循环过程中的内部变形和损伤行为原位观测实验技术。传统单一的电化学或力学方法、以及对电极材料颗粒层面和对半电池的研究不能很好的解释真实全电池的内部变形和结构失效问题。目前已有的表征材料表面信息的技术如透射电镜、扫描电镜、光学技术等对真实电池内部变形信息的获取无能为力。虽然现有的三维X射线断层扫描成像(CT)方法能获取电池结构内部形貌，但由于锂离子电池中的大部分材料(如隔膜、活性材料、电解液、铝箔集流体等)对X射线吸收系数小，使用现有的小型实验室CT仪器扫描成像时间长，一般需要半个小时以上(5～30μm分辨率)，对于某些纳米分辨率成像的扫描时长甚至超过20小时，对锂离子电池产生严重的辐射损伤，导致电池内部发生化学变化和形貌变化，使得图像质量差，采用数字体相关(DVC)内部变形测量的误差大，因此无法满足在多周循环过程中对锂离子电池的多次扫描成像和真实内部变形场的测量。因此，发展锂离子电池内部变形场测量的快速CT成像实验技术具有重要的科学意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对锂离子电池结构内部变形场的快速测试技术，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于锂离子电池内部体素特征构建方法的快速CT成像内部变形测量方法，包括如下技术方案：
(1)在正负极集流体的两侧涂布由活性物质、粘结剂和导电剂混合制备成的浆料；
(2)制备微米尺寸的内部标识点，并在一次涂布后的正负极电极片表面添加内部标识点；
(3)将含内部标识点的正负极电极片烘烤后，经过轻压实将标识点压入步骤(1)所得的浆料内部；
(4)在正负极电极片两面进行浆料的二次涂布；
(5)将步骤(4)所得的正负极电极片经过烘烤、辊压工序后，得到含内部标识点的锂离子电池正负极极片；
(6)将步骤(5)所得的正负极极片依次经过分条，卷绕、包装、注液、封口、化成工艺做成锂离子电池；
(7)通过调节CT成像系统参数，在较好的内部标识点体素特征对比度下尽量缩短单幅投影的曝光时间，实现快速成像，并通过图像重构得到三维图像；
(8)结合数字体相关内部变形测量方法，对步骤(7)所得三维图像进行分析，获取锂离子电池内部三维全场位移和全场应变。
上述方法解决了锂离子电池在不同充放电状态和多周循环过程中的快速CT成像和内部变形场测量问题，大幅度缩短单幅投影的曝光时间及总成像时间。
优选的，所述内部标识点的选材对X射线的吸收系数大于铜对X射线的吸收系数。
优选的，所述负极是氧化硅(SiOx)-石墨复合负极，所述正极是镍钴铝(NCA)三元正极。
有益效果
由于现有锂离子电池中的大部分材料对X射线吸收系数小，因而采用现有的小型实验室CT仪器需要较长的扫描成像时间，而高辐射剂量导致电池内部发生化学变化和形貌变化，使得图像质量差，数字体相关内部变形测量误差大，且无法测量真实变形。本发明提供的电池内部体素特征构建方法可以通过仅获取内部标识点的高对比度图像进行数字体相关内部变形分析，而无需得到高清晰度的电池内部所有形貌信息的图像，使得单幅投影的曝光时间和总成像时间大幅度缩短，大幅减少辐射损伤。本发明提出的电池内部体素特征构建方法是通过锂离子电池正/负极浆料两步涂布法，于两次涂布之间在电极片中添加微米尺寸内部标识点，因此内部标识点不会暴露在电极片表面，不会因刺穿隔膜而导致短路；内部标识点的选材采用对X射线吸收系数比铜更高的材料，使得在很短的CT曝光时间内就能得到高对比度的内部标识点体素特征，因此能大幅缩短曝光时间，并且能提高数字体相关内部变形测量的精度和准确度，实现对锂离子电池在多周循环过程中的数十次低辐射损伤快速CT成像和内部变形精确测量。本发明用于解决锂离子电池内部变形场的低辐射损伤、快速测量问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。
图1为本发明的电极片内部体素特征构建方法。
其中，1-集流体；2-一次涂布；3-添加标识点；4-烘烤后轻压实；5-二次涂布；6-烘烤辊压后得到电池极片成品；a-浆料涂布前的集流体；b-活性物质，粘结剂和导电剂等混合制备成的浆料；c-内部标识点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于锂离子电池内部体素特征构建方法的快速CT成像内部变形测量方法，包括如下技术方案：(1-2)在正负极集流体a的两侧涂布由活性物质，粘结剂和导电剂等混合制备成的浆料b；(3)制备15-20微米尺寸的含钨元素的内部标识点c，并在一次涂布后的正负极电极片表面添加内部标识点c；当然，本领域技术人员清楚，内部标识点c材质不限于钨，只要其对X射线的吸收系数大于铜对X射线的吸收系数即可；优选远大于铜对X射线的吸收系数的材质；(4)将含内部标识点c的正负极电极片烘烤后，经过轻压实将标识点c压入浆料内部；(5)在正负极电极片两面进行浆料的二次涂布；(6)正负极电极片经过烘烤、辊压工序后，得到锂离子电池正负极极片。然后将制备好的含内部标识点的正负极极片经过分条，卷绕、包装、注液、封口、化成等工艺做成软包或圆柱电池。本实施例正负极极片的正极采用镍钴铝(NCA)三元正极，负极采用氧化硅(SiOx)-石墨复合负极。当然，不限于此，本领域技术人员可以采用任何锂离子电池正负极材料制备正负极极片和不同型号的锂离子电池。然后，通过调节CT成像系统参数，如X射线管电压/电流、样品-光源距离、样品-探测器距离等，在较好的内部标识点体素特征对比度下尽量缩短单幅投影的曝光时间，实现快速成像，并通过图像重构得到三维图像；结合数字体相关内部变形测量方法，获取锂离子电池三维内部全场位移和全场应变。
本发明基于CT成像平台，通过CT实时扫描电池内部变形，基于数字体相关方法计算锂离子电池在不同充放电阶段和多周循环过程中的原位快速CT成像和内部变形场测量问题。在锂离子电池的不同状态下通过CT扫描建立试样内部信息点云，然后利用数字体相关方法计算工作过程中电池内部点云位移，在此过程中，本发明的电池内部体素特征构建方法可以通过仅获取内部标识点的高对比度图像进行数字体相关内部变形分析，而无需得到高清晰度的电池内部所有形貌信息的图像，使得单幅投影的曝光时间和总成像时间大幅度缩短，大幅减少辐射损伤。本发明提出的电池内部体素特征构建方法是通过锂离子电池正/负极浆料两步涂布法，于两次涂布之间在电极片中添加微米尺寸内部标识点，因此内部标识点不会暴露在电极片表面，不会因刺穿隔膜而导致短路；内部标识点的选材采用对X射线吸收系数比铜更高的材料，使得在很短的CT曝光时间内就能得到高对比度的内部标识点体素特征，因此能大幅缩短曝光时间，并且能提高数字体相关内部变形测量的精度和准确度，实现对锂离子电池在多周循环过程中的数十次低辐射损伤快速CT成像和内部变形精确测量。
为了说明本发明的内容及实施方法，本说明书给出了上述具体实施例。但是，本领域技术人员应理解，本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于锂离子电池内部体素特征构建方法的快速CT成像内部变形测量方法，其特征在于：
(1)在正负极集流体的两侧涂布由活性物质、粘结剂和导电剂混合制备成的浆料；
(2)制备微米尺寸的内部标识点，并在一次涂布后的正负极电极片表面添加内部标识点；
(3)将含内部标识点的正负极电极片烘烤后，经过轻压实将标识点压入步骤(1)所得的浆料内部；
(4)在正负极电极片两面进行浆料的二次涂布；
(5)正负极电极片经过烘烤、辊压工序后，得到含内部标识点的锂离子电池正负极极片；
(6)将步骤(5)所得的正负极极片依次经过分条，卷绕、包装、注液、封口、化成工艺做成锂离子电池；
(7)通过调节CT成像系统参数，在较好的内部标识点体素特征对比度下尽量缩短单幅投影的曝光时间，实现快速成像，并通过图像重构得到三维图像；
(8)结合数字体相关内部变形测量方法，对步骤(7)所得三维图像进行分析，获取锂离子电池三维内部全场位移和全场应变。
2.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池内部体素特征构建方法的快速CT成像内部变形测量方法，其特征在于：所述内部标识点的选材对X射线的吸收系数大于铜对X射线的吸收系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池内部体素特征构建方法的快速CT成像内部变形测量方法，其特征在于：所述正负极极片的正极采用镍钴铝(NCA)三元正极，负极采用氧化硅(SiOx)-石墨复合负极。
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| CN116148289A (zh) * | 2023-04-20 | 2023-05-23 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 电池缺陷检测方法及系统、计算机可读存储介质 |
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