CN110180797B - 用于计算机断层扫描检测的锂电池规整程度分级评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于计算机断层扫描检测的锂电池内部规整程度分级评价方法，具体包括如下步骤：锂离子电池预处理；将锂离子电池样品进行计算机断层扫描测试，获得锂电池内部截面图像；测量电极层间距，得到正极和负极间距数据的差异；建立动力电池内部结构规整程度评价标准，评价结果。本发明能够通过对锂离子电池的计算机断层扫描测试，对锂离子电池内部结构的规整程度进行分析和评价，找到电池内部规整程度的优势点和薄弱点，促进电池工艺水平提高，增加消费电子用和电动汽车用锂离子电池的稳定性和安全性。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，尤其是涉及一种用于计算机断层扫描检测的锂电池内部规整程度分级评价方法。
背景技术
锂离子电池最早由Whittingham等在1976年发明。随后1981年,Bell实验室将石墨作为负极材料成功制成了锂离子电池，解决了过去用锂片为负极所带来的储存困难、成本过高、条件苛刻等问题。1991年日本SONY公司第一次制造出商品锂离子电池，开始了锂离子电池的商业化应用。商业化锂离子电池的主要是由正极、隔膜、负极和电解液组成。锂离子电池的正极材料主要是富含锂的材料，而负极材料是由可以容纳锂的材料构成。当电池充电时，正极材料中的锂脱嵌，通过电解液和隔膜进入负极，而负极形成嵌锂化合物。电池放电时情况则相反，嵌锂的负极材料中锂脱嵌，通过电解液和隔膜回到正极，完成一个充放电循环。锂离子电池即是锂以离子的形式在电池正负极之间转移，使电池完成充放电的过程，因此锂离子电池又被称为“摇椅电池”。由于锂离子电池能量密度高、循环寿命长等因素，逐渐被应用于电动汽车中，作为动力电池使用。随着电动汽车的广泛普及，动力电池技术也得到了快速发展。
随着动力电池技术的快速发展，作为其评价手段的动力电池测试技术也得到了长足进步。动力电池测试处于新能源汽车产业链中游，是动力电池研发、生产及应用的重要组成部分。新能源汽车技术的发展，使动力电池测试技术日趋完善，但仍然存在测试方法相对单一、各层级测试相对独立的问题。
针对动力电池的寿命、电性能和安全性能要求，我国制定了一系列测试标准。然而现有动力电池测试评价体系最小测试单元是电池单体，采用的测试方法是对电池样品进行电信号、机械信号和环境信号的激励，并判断测试样品的响应情况。以上测试方法只能判断动力电池当前的电性能和安全性能，对于电池内部的安全隐患无从得知。动力电池内部由正极、隔膜、负极通过卷绕或叠片的方式组成，内部结构的规整度对于电池的安全性有很大影响。内部结构不规整、不均匀、存在缺陷的电池，在使用过程中会产生热场不均、电流密度不均的现象，经过长期使用，容易产生电极断裂、微内短路等安全隐患，导致性能快速下降或发生安全事故。
计算机断层扫描(CT)广泛应用于医学领域。随着技术的发展，计算机断层扫描技术的分辨率逐渐提高，目前已可以应用于动力电池测试领域。本发明用于计算机断层扫描对于动力电池的检测，根据计算机断层扫描获得的图像，结合本发明提出的数据测量和数据处理方法，形成的锂电池内部规整程度的分级评价方法，能够有效的对锂离子动力电池的内部结构规整程度进行测试评价。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于计算机断层扫描检测的锂电池内部规整程度分级评价方法，基于计算机断层扫描技术，测试和评价锂离子电池内部结构的规整程度和稳定性，为评估锂离子电池的安全性提供了可靠的评估依据，并为预测锂离子电池的寿命提供了参数指标。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于计算机断层扫描检测的锂电池内部规整程度分级评价方法，具体包括如下步骤：
(1)锂离子电池预处理；
(2)将锂离子电池样品进行计算机断层扫描测试，获得锂电池内部截面图像；
(4)测量电极层间距，得到正极和负极间距数据的差异；
(5)建立动力电池内部结构规整程度评价标准，评价结果。
进一步的，所述步骤(1)中，将锂离子电池按照需求进行充放电预处理，调整电池的荷电状态。
进一步的，所述步骤(2)中具体操作方式如下：
圆柱电池：以圆柱电池的竖向对称轴为中心，将圆柱分割为4个区域，分别获取截面图像，截面图像中去除与极耳连接的部分，留下层叠或卷绕的电极截面图像；
软包电池：根据软包电池的大小，将软包电池分隔为4个或9个区域，对于最长边小于20cm的软包电池，选取软包电池面积最大的一面，在该面的中心处分别画一条平行于长和宽的中线，形成四个面积一样的长方形区域，对于最长边大于20cm的软包电池，选取软包电池面积最大的一面，分别平行于长和宽画两条等距的线，形成九个面积一样的长方形区域，分别获取各个区域的截面图像，截面图像中去除与极耳连接的部分，留下层叠或卷绕的电极截面图像；
硬壳电池：根据硬壳电池的大小，将硬壳电池分隔为4个或9个区域，对于最长边小于20cm的硬壳电池，选取电池面积最大的一面，在该面的中心处分别画一条平行于长和宽的中线，形成四个面积一样的长方形区域，对于最长边大于20cm的硬壳电池，选取电池面积最大的一面，分别平行于长和宽画两条等距的线，形成九个面积一样的长方形区域，分别获取各个区域的截面图像，截面图像中去除与极耳连接的部分，留下层叠或卷绕的电极截面图像。
进一步的，所述步骤(3)中具体操作过程如下；
(31)每个区域按照左上，左下，右上，右下，中间五个位置，分别测量正极和负极间距；
(32)统计正极和负极间距数据，分别计算正极和负极间距的标准差和平均值，并分别计算正极和负极间距差异系数，并取平均数，具体如下：
差异系数＝(标准差/平均值)*100％。
进一步的，所述步骤(4)中评价标准如下：
相对于现有技术，本发明所述的一种用于计算机断层扫描检测的锂电池内部规整程度分级评价方法具有以下优势：
本发明能够通过对锂离子电池的计算机断层扫描测试，对锂离子电池内部结构的规整程度进行分析和评价，找到电池内部规整程度的优势点和薄弱点，促进电池工艺水平提高，增加消费电子用和电动汽车用锂离子电池的稳定性和安全性，并为锂离子电池的性能和安全性评价提供一种新的评价方法。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的用于计算机断层扫描检测的锂电池内部规整度评价流程示意图；
图2为本发明实施例所述的圆柱电池计算机断层扫描图像分区示意图；
图3为本发明实施例所述的小型软包电池计算机断层扫描图像分区示意图；
图4为本发明实施例所述的大型软包电池计算机断层扫描图像分区示意图；
图5为本发明实施例所述的小型硬壳电池计算机断层扫描图像分区示意图；
图6为本发明实施例所述的大型硬壳电池计算机断层扫描图像分区示意图；
图7为本发明实施例所述的软包电池计算机断层扫描整体轮廓图；
图8为本发明实施例所述的样品计算机断层扫描数据分区后数据处理示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提出本发明提出一种用于计算机断层扫描检测的锂电池内部规整程度分级评价方法，如图1所示，包括如下步骤：
1.锂离子电池预处理
将锂离子电池按照需求进行充放电预处理，调整电池的荷电状态。若无特殊要求，可调整荷电状态至100％，以达到最佳测试效果。
2.锂离子电池内部规整程度测试
2.1计算机断层扫描测试
将锂离子电池样品进行计算机断层扫描测试，获得电池的计算机断层扫描图像信息。
2.2计算机断层扫描数据处理
处理所获得的计算机断层扫描图像数据，获得相应的锂电池内部截面图像。具体操作方式为：
圆柱电池：以圆柱电池的竖向对称轴为中心，将圆柱分割为4个区域，分别获取截面图像。截面图像中去除与极耳连接的部分，留下层叠或卷绕的电极截面图像。如图2所示。
软包电池：根据软包电池的大小，将软包电池分隔为4个或9个区域。对于最长边小于20cm的软包电池，选取软包电池面积最大的一面，在该面的中心处分别画一条平行于长和宽的中线，形成四个面积一样的长方形区域。对于最长边大于20cm的软包电池，选取软包电池面积最大的一面，分别平行于长和宽画两条等距的线，形成九个面积一样的长方形区域。
将软包电池分隔为4个或9个区域，分别获取截面图像，如图3和图4所示。
分别获取各个区域的截面图像，截面图像中去除与极耳连接的部分，留下层叠或卷绕的电极截面图像。
硬壳电池：根据硬壳电池的大小，将硬壳电池分隔为4个或9个区域。对于最长边小于20cm的硬壳电池，选取电池面积最大的一面，在该面的中心处分别画一条平行于长和宽的中线，形成四个面积一样的长方形区域。对于最长边大于20cm的硬壳电池，选取电池面积最大的一面，分别平行于长和宽画两条等距的线，形成九个面积一样的长方形区域。
分别获取截面图像，如图5和图6。建议将最长边小于20cm的硬壳电池分隔为4个区域，将最长边大于20cm的硬壳电池分隔为9个区域。分别获取各个区域的截面图像，截面图像中去除与极耳连接的部分，留下层叠或卷绕的电极截面图像。
2.3电极层间距测量
(2)每个区域按照左上，左下，右上，右下，中间五个位置，分别测量正极和负极间距。
(3)统计正极和负极间距数据，分别计算正极和负极间距的标准差和平均值，并分别计算正极和负极间距差异系数，并取平均数。
差异系数＝(标准差/平均值)*100％
2.4结果评价
根据本发明提出的《动力电池内部结构规整程度评价表》，对电池的内部结构规整程度进行分级。
动力电池内部结构规整程度评价表
| 差异系数x | 级别 |
| 0＜x≤2％ | 优秀 |
| 2％＜x≤5％ | 良好 |
| 5％＜x≤10％ | 合格 |
| 10％＜x | 不合格 |
具体实施过程如下：
1.锂离子电池预处理
选取额定容量为5Ah，尺寸为15cm x 8cm x 6mm的锂离子软包电池为测试对象。将锂离子电池按照测试需求进行充放电预处理，调整电池的荷电状态至100％。
2.锂离子电池内部规整度测试
2.1计算机断层扫描测试
将电池样品进行计算机断层扫描测试，获得电池的计算机断层扫描信息。测试仪器工作电压为180kV，工作电流为150μA。
2.2计算机断层扫描数据处理
从计算机断层扫描仪器的输出文件中获得电池样品的断层扫描信息。样品整体轮廓图如图7所示。
按照图3，将样品图像分为四个区域，并分别获得每个区域的内部结构截面图像，并除去极耳连接的部分，将其余部分按照左上，左下，右上，右下，中间五个位置分区编号(以区域1为例)，获得四个区域的断层扫描图像如图8所示。分别测量每个区域每个区间正极和负极的间距，测量结果如下表所示：
根据以上数据，计算该电池正极间距平均值为0.325mm，标准差为0.0122mm；负极间距平均值为0.326mm，标准差为0.0115mm。
根据统计学中差异系数的公式(标准差/平均值)*100％,该电池正极间距差异系数为3.75％，负极间距差异系数为3.53％，差异系数平均值为3.64％。根据本发明中提出的《动力电池内部结构规整程度评价表》，该电池内部结构规整度评价为良好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于计算机断层扫描检测的锂电池内部规整程度分级评价方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
（1）锂离子电池预处理；
（2）将锂离子电池样品进行计算机断层扫描测试，获得锂电池内部截面图像；
（3）测量电极层间距，得到正极和负极间距数据的差异；
（4）建立动力电池内部结构规整程度评价标准，评价结果；
所述步骤（2）中具体操作方式如下：
圆柱电池：以圆柱电池的竖向对称轴为中心，将圆柱分割为4个区域，分别获取截面图像，截面图像中去除与极耳连接的部分，留下层叠或卷绕的电极截面图像；
软包电池：根据软包电池的大小，将软包电池分隔为4个或9个区域，对于最长边小于20cm的软包电池，选取软包电池面积最大的一面，在该面的中心处分别画一条平行于长和宽的中线，形成四个面积一样的长方形区域，对于最长边大于20cm的软包电池，选取软包电池面积最大的一面，分别平行于长和宽画两条等距的线，形成九个面积一样的长方形区域，分别获取各个区域的截面图像，截面图像中去除与极耳连接的部分，留下层叠或卷绕的电极截面图像；
硬壳电池：根据硬壳电池的大小，将硬壳电池分隔为4个或9个区域，对于最长边小于20cm的硬壳电池，选取电池面积最大的一面，在该面的中心处分别画一条平行于长和宽的中线，形成四个面积一样的长方形区域，对于最长边大于20cm的硬壳电池，选取电池面积最大的一面，分别平行于长和宽画两条等距的线，形成九个面积一样的长方形区域，分别获取各个区域的截面图像，截面图像中去除与极耳连接的部分，留下层叠或卷绕的电极截面图像；
所述步骤（3）中具体操作过程如下;
（31）每个区域按照左上，左下，右上，右下，中间五个位置，分别测量正极和负极间距；
（32）统计正极和负极间距数据，分别计算正极和负极间距的标准差和平均值，并分别计算正极和负极间距差异系数，并取平均数，具体如下：
差异系数=（标准差/平均值）*100%。
2.根据权利要求1所述的一种用于计算机断层扫描检测的锂电池内部规整程度分级评价方法，其特征在于：所述步骤（1）中，将锂离子电池按照需求进行充放电预处理，调整电池的荷电状态。
3.根据权利要求1所述的一种用于计算机断层扫描检测的锂电池内部规整程度分级评价方法，其特征在于：所述步骤（4）中评价标准如下：
当0＜差异系数≤2% 优秀
当2%＜差异系数≤5% 良好
当5%＜差异系数≤10% 合格
当10%＜差异系数 不合格。
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