ES3027864T3 - Method for analyzing swelling behavior of lithium secondary battery - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un método para analizar el hinchamiento de una batería secundaria de litio, que comprende (S1) instalar un soporte de presurización desmontable para fijar una muestra de batería y un cable de carga/descarga conectado a un dispositivo externo de carga/descarga a un equipo de imágenes por tomografía computarizada (TC) de rayos X; (S2) insertar la muestra de batería en el soporte de presurización, poner en contacto un cable de electrodo de la muestra con un terminal del cable de carga/descarga y, a continuación, operar el dispositivo externo de carga/descarga para realizar la carga y la descarga; y (S3) durante la carga y la descarga de la muestra de batería, irradiar y escanear con rayos X la muestra de batería en un ángulo de entre -10° y 10° para obtener una imagen 3D mientras se gira la muestra de batería y, a continuación, medir el cambio de espesor del electrodo dentro de la muestra de batería a partir de la imagen 3D. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método para analizar el comportamiento de hinchamiento de batería secundaria de litio
Campo técnico
La presente invención se refiere a un método para analizar el comportamiento de hinchamiento de una batería secundaria de litio de manerain situsin desmontar la batería.
Antecedentes de la invención
Conforme incrementa el desarrollo tecnológico y la demanda de un dispositivo móvil, la demanda de una batería secundaria recargable, miniaturizada, y de gran capacidad está incrementando rápidamente. En particular, una batería secundaria de litio tiene una alta densidad de energía por peso unitario y puede cargarse rápidamente en comparación a otras baterías secundarias, tal como una batería de almacenamiento de plomo convencional, una batería de níquel-cadmio, una batería de níquel-hidrógeno, y una batería de níquel-zinc.
La batería secundaria de litio se configura para incrustar en una caja de batería un montaje de electrodo que consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo, que están recubiertos con un material activo en un colector de corriente, y un separador poroso para separarlos, y para inyectar un electrolito que contiene una sal de litio en el montaje de electrodo, produciendo de esta manera energía eléctrica por reacciones de oxidación y reducción cuando se inserta/desorbe un ion de litio del electrodo positivo y el electrodo negativo. Esta batería secundaria se puede clasificar en una forma rectangular, una forma cilíndrica y una forma de bolsa dependiendo de la forma de la caja de batería.
Puesto que un volumen del electrodo positivo y el electrodo negativo de esta batería secundaria de litio cambia debido a la inserción/desorción de un ion de litio durante la carga y descarga, existe un problema de deterioro en el rendimiento dependiendo de un grado de uso de la batería.
A fin de observar un comportamiento de hinchamiento provocado por el cambio en el volumen dentro de la batería de acuerdo con las condiciones de carga y descarga, convencionalmente, se ha utilizado un métodoex situde desmontaje de una celda de batería bajo una cierta condición de SOC (estado de carga) y entonces observar el espesor de electrodo con un microscopio electrónico tal como un SEM. La figura 1 muestra una fotografía de SEM de análisis de una estructura de sección transversal de un electrodo después de muestrear una celda específica por el desmontaje de una bicelda de múltiples apilados en el métodoex situconvencional. Este análisis de desmontajeex situhace imposible analizar la estructura de toda la celda dentro de una bolsa debido a que un ancho máximo del área de electrodo de bicelda de que se puede observar se limita a dentro de 1 mm, y puede provocar un error que difiere del espesor real debido a la formación de subproductos dentro del electrodo durante el proceso de muestreo.
Por otro lado, a fin de observar un cambio en un estado sin desmontar la batería, también se ha utilizado una técnica de imagenología de rayos Xin situque analiza el electrodo al transmitir directamente un rayo X de alta velocidad a la batería secundaria usando un acelerador. La figura 2 muestra un proceso de análisis de la batería cilíndrica por el métodoin situutilizando una TC de rayos X de sincrotrón convencional (ver Nature Communications, "In-operando highspeed tomography of lithium-ion batteries during thermal runaway", Fig. 1, abril de 2015). Un equipo utilizado en este proceso se limita a una forma y un tamaño de la batería que se puede aplicar debido a que sólo la batería cilíndrica se puede montar en un retenedor de muestra.
Por consiguiente, existe la necesidad de un método capaz de analizar de manera más eficiente un cambio en un estado del electrodo de acuerdo con el proceso de carga/descarga sin desmontar el electrodo al aplicar a diversas formas y tamaños de la batería.
Sumario de la invención
La presente invención proporciona un método para analizar un cambio en la estructura dentro de un electrodo durante la carga y descarga en tiempo real al establecer un estado en el que una batería se puede cargar y descargar en un equipo de tomografía computarizada (CT) de rayos X disponible comercialmente para laboratorio (Lab).
Un aspecto de la presente invención proporciona un método para analizar un comportamiento de hinchamiento de una batería secundaria de litio, el método que comprende los pasos de:
(51) instalar un retenedor de presurización desprendible para fijar una muestra de batería y un cable de carga/descarga conectado con un dispositivo de carga/descarga externo a un equipo de imagenología de TC de rayos X;
(52) insertar la muestra de batería en el retenedor de presurización, poner en contacto un conductor de electrodo de la muestra de batería con una terminal del cable de carga/descarga, y entonces operar el dispositivo de carga/descarga externo para realizar la carga y descarga; y
(S3) durante la carga y descarga de la muestra de batería, irradiar y escanear rayos X en la muestra de batería en un ángulo que varía de -10° a 10° para obtener una imagen 3D en tanto que se hace girar la muestra de batería, y entonces medir un cambio en el espesor del electrodo dentro de la muestra de batería a partir de la imagen 3d .
Realizaciones adicionales se divulgan en las reivindicaciones dependientes.
Efecto de la invención
De acuerdo con la presente invención, es posible analizar en tiempo real un comportamiento de hinchamiento de un electrodo, es decir, un cambio en el espesor dentro del electrodo, durante la carga y descarga sin desmontar una batería, al instalar un retenedor de presurización para fijar una muestra de batería y un cable de carga/descarga capaz de conectarse con un dispositivo de carga/descarga externo a un equipo de imagenología de TC de rayos X para laboratorio para establecer un estado en el que la muestra de batería puede cargarse y descargarse, y entonces escanear los rayos X en la muestra de batería en un ángulo específico durante la carga y descarga.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 es una fotografía de SEM que muestra una estructura de sección transversal de un electrodo de bicelda analizado por un métodoex situconvencional.
La figura 2 muestra un proceso de análisis de una celda cilíndrica por un métodoin situutilizando una TC de rayos X de sincrotrón convencional.
La figura 3 es un diagrama esquemático de un retenedor de presurización para fijar una muestra de batería a un equipo de imagenología de TC de rayos X que se utiliza en un método de análisis de acuerdo con una realización de la presente invención.
La figura 4 muestra esquemáticamente que el retenedor de presurización de la figura 3 se conecta con un dispositivo de carga/descarga que se ubica fuera de un equipo de imagenología de TC de rayos X a través de un cable de carga/descarga.
La figura 5 muestra una imagen en sección transversal de un electrodo obtenido por exploración de rayos X durante la carga y descarga de una batería en forma de bolsa equipada con un electrodo negativo de Si por un método de análisis de acuerdo con una realización de la presente invención.
La figura 6 es una gráfica que muestra mediciones de espesor en un perfil de voltaje de carga/descarga de un electrodo negativo de Si analizado por un método de acuerdo con una realización de la presente invención.
La figura 7 es una gráfica que muestra un comportamiento de hinchamiento como un cambio en el espesor de acuerdo con un estado de carga de un electrodo negativo de Si analizado por un método de acuerdo con una realización de la presente invención.
Descripción detallada
Una realización de la presente invención se refiere a un método para analizar un comportamiento de hinchamiento de acuerdo con un proceso de carga/descarga sin desmontar una batería secundaria de litio.
A fin de analizar el comportamiento de hinchamiento de la batería secundaria de litio de acuerdo con la presente invención, en primer lugar, se instalan un retenedor de presurización desprendible para fijar una muestra de batería y un cable de carga/descarga conectado con un dispositivo de carga/descarga externo a un equipo de imagenología de tomografía computarizada (TC) de rayos X (paso S1).
El equipo de imagenología de TC de rayos X utilizado en la presente invención es un equipo de laboratorio (Lab) disponible comercialmente, y se distingue de un equipo de imagenología de TC de rayos X de sincrotrón convencional (ver la figura 2) porque no utiliza un acelerador. El equipo de imagenología de TC de rayos X de sincrotrón se ha utilizado en una tecnología de imagenología de rayos X in situ que transmite y analiza directamente un rayo X de alta velocidad a la batería secundaria usando el acelerador. En otras palabras, la presente invención es significativa porque es posible analizar el comportamiento de hinchamiento y el cambio de estructura interna de la batería más fácilmente que el equipo convencional que el acelerador ha empleado al usar el equipo basado en laboratorio sin limitación de un tamaño y tipo de celda.
La figura 3 es un diagrama esquemático de un retenedor de presurización para fijar una muestra de batería a un equipo de imagenología de TC de rayos X que se utiliza en un método de análisis de acuerdo con una realización de la presente invención.
Con referencia a las figuras 3, el retenedor de presurización utilizado en la presente invención es un dispositivo para fijar la muestra de batería, e incluye un par de miembros en forma de placas de presurización 1 para acomodar la muestra de batería 6, un tornillo principal 2 y tornillos auxiliares 3 para la presurización, y una ventana 4 para transmitir los rayos X. El par de miembros en forma de placa de presurización 1 es una estructura que se enfrenta entre sí y está separada entre sí, en tanto que la distancia entre ellos se puede ajustar, y se puede proporcionar con una esponja de presurización 5 para impedir un daño a la muestra de batería 6 entre el par de miembros en forma de placa de presurización 1.
El retenedor de presurización se puede colocar en una unidad de montaje de muestra del equipo de imagenología de TC de rayos Xin situo se puede instalar usando un miembro de fijación separado. Como miembro de fijación separado, se puede aplicar una cinta adhesiva en la unidad de montaje de muestra del propio equipo y una parte inferior del retenedor de presurización tal que no haya movimiento durante la exploración de los rayos X. Puesto que una forma y tamaño del retenedor de presurización y el par de miembros en forma de placa proporcionados en este se pueden fabricar para que coincidan con el tamaño de la muestra de batería insertada, es posible aplicar las baterías de varias formas y tamaños.
Al insertar y presurizar la muestra de batería entre el par de miembros en forma de placa en el retenedor de presurización, es posible impedir que la muestra de batería se desvíe durante el proceso de imagenología 3D de la muestra de batería usando el equipo de imagenología de TC de rayos X.
La figura 4 muestra esquemáticamente que el retenedor de presurización de la figura 3 se conecta con un dispositivo de carga/descarga que se ubica fuera de un equipo de imagenología de TC de rayos X a través de un cable de carga/descarga.
Como se muestra en la figura 4, el cable de carga/descarga 30 conecta un conductor de electrodo de la muestra de batería insertada en el retenedor de presurización 20 con el dispositivo de carga/descarga externo 40 dentro del equipo de imagenología de TC de rayos X 10. Además, el cable de carga/descarga 30 se puede instalar a lo largo de una línea de cobre de cable de alto voltaje del equipo de imagenología de TC de rayos X a fin de no afectar el blindaje de los rayos X. Por ejemplo, el cable de carga/descarga se puede instalar en forma de zigzag.
Como tal, la razón por la que la muestra de batería en el equipo de imagenología de TC de rayos X y el dispositivo de carga/descarga externo se conectan a través del cable de carga/descarga es debido a que no hay espacio libre para instalar el dispositivo de carga/descarga en el lugar donde se ubican un generador de rayos X en el caso del equipo de imagenología de TC comercial basado en laboratorio utilizado en la presente invención, y la modificación estructural adicional para instalar el dispositivo de carga/descarga no es deseable en términos de seguridad. Es decir, la presente invención adopta un método para conectar el cable de carga/descarga con el dispositivo de carga/descarga externo a lo largo de la línea de cobre de cable de alto voltaje en consideración de la estructura interna del propio equipo de imagenología de TC, permitiendo de esta manera realizar la carga y descargain situsin desmontar la muestra de batería en el equipo de imagenología de TC de rayos X.
Después de establecer un estado que puede cargar y descargar la muestra de batería en el equipo de imagenología de TC de rayos X como se describe anteriormente, la muestra de batería se inserta en el retenedor de presurización y el conductor de electrodo de la muestra de batería se pone en contacto con una terminal del cable de carga/descarga, y entonces la carga y descarga se realizan al operar el dispositivo de carga/descarga externo (paso S2).
La muestra de batería se aloja en una caja de bolsa en la que una batería secundaria en forma de bolsa, es decir, un montaje de electrodo que incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo, y un separador interpuesto entre los mismos, se compone de una capa de metal (lámina) y una película de múltiples capas de una capa de resina sintética recubierta sobre unas superficies superior e inferior de la capa de metal. Una lengüeta de electrodo y el conductor de electrodo que se conectan al montaje de electrodo pueden tener una forma que sobresale de la caja de bolsa. La carga y descarga se pueden realizar al conectar eléctricamente el conductor de electrodo con el dispositivo externo para suministrar energía eléctrica. Además, se puede utilizar la muestra de batería de una forma circular o angular.
El electrodo positivo y el electrodo negativo incluidos en la muestra de batería se pueden preparar de acuerdo con un método bien conocido en la técnica pertinente. Por ejemplo, una capa de material activo se puede formar al recubrir una suspensión espesa obtenida al dispersar un material de electrodo que incluye un material activo, un material conductor, y un agente de unión en un solvente en un colector de corriente en forma de lámina, seguido por secado y laminación de este.
El material activo actúa para insertar y desorber iones de litio durante el proceso de carga/descarga de la batería secundaria, y no tiene ninguna limitación particular siempre que se use comúnmente para el electrodo positivo o el electrodo negativo incluido en la batería secundaria. Por ejemplo, el material activo de electrodo positivo puede incluir uno o más seleccionados de LiCoO2, LiNiO2, LiM-n2O4, LiCoPO4, LiFePO4, y UNh-x-y-zCoxM1yM2zO2, en donde M1 y M2 se seleccionan independientemente entre sí cualquiera del grupo que consta de Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg y Mo, y x, y y z son independientemente entre sí 0<x<0,5, 0<y<0,5, 0<z<0,5, 0<x+y+z<1 como fracciones atómicas de elementos de composición de óxido. El material activo de electrodo negativo puede incluir uno o más seleccionados de óxido compuesto de titanio que contiene litio (LTO), y óxidos de Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, o Fe.
Durante la carga y descarga de la muestra de batería, el rayo X se irradia y se escanea en un ángulo tan en un intervalo de -10° a 10° en tanto que se hace girar la muestra de batería para obtener una imagen 3D, y entonces se mide un cambio en el espesor del electrodo dentro de la muestra de batería a partir de la imagen 3D (paso S3). El intervalo de irradiación de los rayos X se puede ajustar hasta ±360° según sea necesario.
En general, la TC que usa los rayos X escanea 360° para sintetizar una imagen, pero después de que se completa la exploración de 360°, se presenta un cambio entre la imagen capturada y la imagen inicial, lo que hace imposible alinear la imagen 3D. Por esta razón, es difícil observar en tiempo real los cambios estructurales dentro de los electrodos incluidos en la batería que se presentan durante el tiempo que se completa la exploración. Por lo tanto, para minimizar el cambio de imagen que se presenta durante el tiempo de exploración, es más exacto verificar el cambio que se presenta durante el proceso de carga/descarga en una imagen 2D en la que la muestra se fija en una dirección específica sin rotación, pero, con la imagen 2D que sólo se puede observar en una forma en vivo, es difícil identificar cambios estructurales diminutos dentro del electrodo. La exploración 3D es esencial para superar estas deficiencias, es decir, para obtener la imagen 3D con una resolución más alta que la imagen 2D, y el ángulo de irradiación y exploración se establece ventajosamente en el intervalo de -10° a 10° a fin de asegurar el menor tiempo requerido para disparar la imagen 3D. En el intervalo anterior de la irradiación y escaneo de rayos X, el disparo de la imagen 3D de la muestra de batería se puede realizar en un período de 2 minutos. Si la irradiación y el ángulo de exploración de los rayos X están fuera de un intervalo de -10° a 10°, por ejemplo, si la irradiación y la exploración de los rayos X se realizan a -20° o 20°, el tiempo de análisis será más largo, lo que hace difícil expresar el cambio de hinchamiento que se presenta dentro de la celda de batería secundaria a una imagen tridimensional durante el disparo de la imagen. En otras palabras, la irradiación y la exploración de la radiografía se realizan preferentemente en un intervalo de -10° a 10° para aplicar el tiempo de disparo más corto requerido para analizar el proceso de cambio estructural que se presenta por el hinchamiento dentro de la celda con las tres dimensiones sin deformación de la imagen.
De acuerdo con el método de la presente invención como se describe anteriormente, el comportamiento de hinchamiento del electrodo, es decir, un cambio en el espesor dentro del electrodo, durante la carga y descarga se puede analizar en tiempo real sin desmontar la batería.
Además, a fin de implementar el método de análisis como se describe anteriormente, se proporciona un sistema de análisis que comprende:
(i) un equipo de imagenología de TC de rayos X;
(ii) un retenedor de presurización desprendible instalado en el equipo de imágenes de TC de rayos X para fijar una muestra de batería; y
(iii) un cable de carga/descarga para conectar la muestra de batería a un dispositivo de carga/descarga externo.
En el sistema de análisis, la descripción de la configuración que se traslapa con el método mencionado anteriormente es la misma.
En lo sucesivo, el ejemplo se describirá en detalle para ayudar a la comprensión de la presente invención. Sin embargo, el Ejemplo de acuerdo con la presente invención se puede modificar en varias otras formas, y el alcance de la presente invención no se debe interpretar que se limita al siguiente ejemplo. El ejemplo de la presente invención se proporciona para explicar más completamente la presente invención a una persona que tiene un conocimiento promedio en la técnica.
Ejemplo:
Un retenedor de presurización desprendible como se muestra en la figura 3 se colocó en una unidad de montaje de muestra de un equipo comercial de imagenología de TC de rayos X (Modelo Vtomex m300; BAKER HUGHES, GE CO., Alemania) y se instaló un cable de carga/descarga a lo largo de una línea de cobre de cable de alto voltaje del equipo anterior, y entonces el retenedor de presurización se conectó a un dispositivo de carga/descarga externo a través del cable de carga/descarga (ver figura 4).
Posteriormente, se preparó una muestra de batería en una forma en la que se alojó un montaje de electrodo en una caja de bolsa, en donde el montaje de electrodo se obtuvo usando, como un electrodo positivo, un electrodo que incluye un material activo basado en NCM que contiene Ni, Co y Mn y usando, como un electrodo negativo, un electrodo que incluye un material activo de Si que tiene alta capacidad (1340 mAh) y que exhibe una rápida expansión de volumen durante un proceso de carga/descarga. La muestra de batería se insertó entre esponjas en un par de miembros en forma de placa (material: aluminio) dentro del retenedor de presurización, y un conductor de electrodo de la muestra de batería se puso en contacto con una terminal del cable de carga/descarga, y entonces se operó el dispositivo de carga/descarga externo para realizar la carga y descarga. En este caso, la carga y descarga de la muestra de batería se realizó al aplicar una densidad de corriente de 670 mAh/g (tasa de 0,5C) en una condición de modo de CC.
Durante la carga y descarga de la muestra de batería, se irradió el rayo X y se escaneó un ángulo de bronceado que varía de -10° a 10° en 2 minutos en tanto que se hacía girar la muestra de batería para obtener una imagen 3D, y se midió un cambio en el espesor del electrodo dentro de la muestra de batería a partir de la imagen 3D.
La figura 5 muestra una imagen en sección transversal del electrodo obtenido por la exploración de rayos X durante la carga y descarga de una batería en forma de bolsa proporcionada con un electrodo negativo de Si. Se puede observar que se presenta un hinchamiento de aproximadamente 3% en el electrodo de acuerdo con un voltaje de carga, lo que significa un incremento en el espesor de electrodo.
La figura 6 muestra mediciones de espesor en un perfil de voltaje de carga/descarga del electrodo negativo de Si, y la figura 7 muestra un comportamiento de hinchamiento como un cambio en el espesor de acuerdo con un estado de carga (SOC 0% a 100%) del electrodo negativo de Si.
Como se puede ver a partir de las figuras 5 a 7, el comportamiento de hinchamiento del electrodo, es decir, un cambio en el espesor dentro del electrodo, se puede analizar en tiempo real sin desmontar la batería al instalar el retenedor de presurización para fijar la muestra de batería y el cable de carga/descarga conectable al dispositivo de carga/descarga externo al equipo de imagenología de TC de rayos X de laboratorio para establecer un estado que puede realizar la carga y descarga de la muestra de batería, y entonces, irradiar y escanear los rayos X en la muestra de batería en un intervalo de -10° a 10° durante la carga y descarga.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un método para analizar un comportamiento de hinchamiento de una batería secundaria de litio, que comprende:
(51) instalar un retenedor de presurización desprendible para fijar una muestra de batería y un cable de carga/descarga conectado con un dispositivo de carga/descarga externo a un equipo de imagenología de tomografía computarizada (TC) de rayos X;
(52) insertar la muestra de batería en el retenedor de presurización, poner en contacto un conductor de electrodo de la muestra de batería con una terminal del cable de carga/descarga, y entonces operar el dispositivo de carga/descarga externo para realizar la carga y descarga; y
(53) durante la carga y descarga de la muestra de batería, irradiar y escanear rayos X en la muestra de batería en un ángulo que varía de -10° a 10° para obtener una imagen 3D en tanto que se hace girar la muestra de batería, y entonces medir un cambio en el espesor del electrodo dentro de la muestra de batería a partir de la imagen 3D.
2. El método de la reivindicación 1, en donde el retenedor de presurización desprendible tiene un par de miembros en forma de placa separados entre sí en tanto que se enfrentan entre sí y se ajusta una distancia entre ellos, y la muestra de batería se inserta entre el par de miembros en forma de placa.
3. El método de la reivindicación 1, en donde el retenedor de presurización desprendible se coloca en una unidad de montaje de muestra del equipo de imagenología de TC de rayos Xin situo se instala usando un miembro de fijación separado.
4. El método de la reivindicación 1, en donde el cable de carga/descarga se instala en una forma de zigzag a lo largo de una línea de cobre de cable de alto voltaje del equipo de imagenología de TC de rayos X para conectar la muestra de batería dentro del equipo de imagenología de TC de rayos X con el dispositivo de carga/descarga externo sin afectar la protección de los rayos X.
5. El método de la reivindicación 1, en donde el equipo de imagenología de TC de rayos X es un equipo de laboratorio que no utiliza un acelerador.
6. El método de la reivindicación 1, en donde la exploración en el paso (S3) se realiza en un período de 2 minutos.
7. El método de la reivindicación 1, en donde la medición de un cambio en el espesor del electrodo de la muestra de batería se realiza en un intervalo de 0% a 100% de SOC (estado de carga).
8. El método de la reivindicación 1, en donde la muestra de batería es una batería secundaria de litio en forma de bolsa.
9. El método de la reivindicación 1, en donde la muestra de batería incluye un electrodo positivo basado en NCM que contiene Ni, Co, y Mn, y un electrodo negativo basado en Si.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7330240B2 (ja) * 2021-08-30 2023-08-21 本田技研工業株式会社 解析装置、解析方法、およびプログラム
US12463263B2 (en) * 2022-09-20 2025-11-04 GM Global Technology Operations LLC X-ray radiographs based fault detection and prediction for battery cells
CN115621591B (zh) * 2022-12-16 2023-03-17 合肥视微科技有限公司 一种具有位移探测功能的电池原位成像装置
US20240265519A1 (en) * 2023-02-07 2024-08-08 Sk On Co., Ltd. Method and device for detecting abnormality in battery cell type electrodes
JP7633296B2 (ja) 2023-02-08 2025-02-19 本田技研工業株式会社 電極構造観察用セル組立体
CN116086367B (zh) * 2023-04-10 2023-08-15 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池检测方法、装置、存储介质及电池检测设备
CN116739997A (zh) * 2023-05-24 2023-09-12 四川轻化工大学 一种基于x射线成像的锂电池在线成像分析方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5250998B2 (ja) * 2007-04-26 2013-07-31 パナソニック株式会社 電気化学素子用電極とその製造方法およびそれを用いた電気化学素子
JP5815617B2 (ja) 2013-08-20 2015-11-17 株式会社住化分析センター 電極の評価方法および製造方法
JP6221723B2 (ja) * 2013-12-17 2017-11-01 住友金属鉱山株式会社 Ｘ線分析装置及びｘ線分析方法
JP6001604B2 (ja) 2014-07-10 2016-10-05 株式会社住化分析センター 電極に対するｘ線を用いた二次元測定の方法
JP2016051642A (ja) 2014-09-01 2016-04-11 株式会社コベルコ科研 電池の評価方法及びこれに用いる評価用セル
JP6473924B2 (ja) 2014-12-03 2019-02-27 東芝Ｉｔコントロールシステム株式会社 電池検査装置
KR101705703B1 (ko) 2015-08-17 2017-02-10 (주)한국아이티에스 엑스선 투과 방식의 전지 분석 기술을 위한 인시추 셀
JP2017139089A (ja) 2016-02-02 2017-08-10 日本電気株式会社 二次電池評価方法、二次電池評価装置および二次電池評価プログラム
KR102032507B1 (ko) 2016-02-25 2019-10-15 주식회사 엘지화학 이차 전지용 파우치 및 이를 포함하는 이차 전지
KR102068765B1 (ko) 2016-10-18 2020-01-21 주식회사 엘지화학 X선 회절을 이용한 리튬 이온 전지의 전압 추정방법
US11207272B2 (en) 2017-05-17 2021-12-28 Massachusetts Institute Of Technology Tissue anchoring articles
KR102385728B1 (ko) * 2018-03-22 2022-04-11 주식회사 엘지에너지솔루션 싱크로트론 x선 이미지를 통한 리튬 이차전지 내부의 리튬이온 이동도 분석방법
EP4024035A4 (en) * 2019-08-27 2023-10-04 Rigaku Corporation STRUCTURE FOR BATTERY ANALYSIS AND X-RAY DIFFRACTION APPARATUS

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