鋰電池老化過程的CT-超聲協同檢測

摘 要：鋰離子電池在新能源汽車領域得到廣泛應用的同時，也在新能源發電與電力儲能等領域不斷被證實擁有更加廣泛的前景，然而作為一種高能儲能部件，一方面鋰離子電池存在熱失控的風險，在儲能電站中一旦失控容易導致熱連鎖蔓延等災害；另一方面，電池內部可能在長期循環過程中發生老化。通過CT掃描技術與超聲掃描成像等無損檢測手段可以實現在不對電池進行拆解破壞的情況下實現對電池內部結構及電解液分布進行的無損檢測，從而能夠實現在電池真實工況下的無損表征，提高鋰離子電池危險預警與壽命預測的能力水平，為鋰離子電池在儲能領域的應用作出重要保障。

關鍵詞：鋰電池 無損檢測 CT掃描 超聲成像

1 緒論

鋰離子電池作為一種高效能、長壽命的儲能解決方案，近年來在全球能源轉型過程中扮演了至關重要的角色。隨著可再生能源技術的發展及其在新能源汽車和電網中的占比逐漸增加[1]。鋰離子電池憑借其高能量密度、較長的循環壽命以及逐漸降低的成本，在眾多儲能技術中脫穎而出。

尤其在應對太陽能和風能等可再生能源發電的不連續性和波動性方面，鋰離子電池展現了獨特的優勢。它們不僅能夠平滑電力輸出，減少對電網穩定性的影響，還能通過削峰填谷的方式提高電力系統的整體效率[2]。此外，隨著電動汽車市場的迅速擴張，二手電動汽車電池作為固定式儲能單元的應用潛力也日益受到關注，為鋰離子電池的梯次利用開辟了新的途徑。提升鋰離子電池安全性、可靠性和經濟性，已成為當前研究的重要方向之一。這包括探索新型電極材料、改進電池熱管理系統以及開發先進的狀態監測和故障診斷技術等方面[3]。通過這些努力，旨在進一步拓寬鋰離子電池在大規模儲能應用中的適用范圍，并促進全球向更加可持續的能源結構轉變。

無損檢測技術作為現代工業中不可或缺的一部分，其發展見證了材料科學與工程技術的進步。CT掃描和超聲檢測是其中兩種重要的檢測方法，它們在保證材料完整性和結構安全性方面發揮了重要作用[4]。CT掃描技術自20世紀70年代首次應用于醫學領域以來，已經迅速擴展到工業檢測領域。它通過使用X射線或伽馬射線從多個角度穿透被測物體，并利用計算機處理這些數據以生成橫截面圖像或三維模型。這使得CT掃描能夠提供高分辨率的內部結構視圖，對于復雜部件的缺陷檢測、尺寸測量以及材料分析具有顯著優勢[5]。隨著計算能力的提升和成像算法的發展，CT掃描的速度和精度不斷提高，應用范圍也從航空航天、汽車制造擴展到了文化遺產保護等多個領域。CT掃描技術也廣泛應用于鋰離子電池內部結構分析與缺陷診斷[6]。

超聲成像技術則是基于超聲波在不同介質中的傳播特性來識別材料內部的缺陷[7]。這種技術因其操作簡便、成本效益高且對多種材料類型適用而廣泛應用于制造業的質量控制過程中。近年來，隨著相控陣超聲技術等新型超聲檢測技術的發展，傳統超聲檢測的空間分辨率和缺陷檢出率得到了大幅提升。超聲成像技術允許對復雜的幾何形狀進行精確檢測[8-9]，同時還能實現快速的數據采集和分析，極大地提高了工作效率。本文協同上述兩項無損檢測技術，對鋰離子電池的老化過程進行了表征，全面地評估電池的內部結構狀態。

2 實驗部分

2.1 CT掃描技術

CT掃描技術基于X射線成像原理，通過圍繞待測物體旋轉的X射線源發射出窄束X射線穿透樣品，并由對面的探測器接收透過后的X射線強度變化。根據不同的吸收系數，不同材料或結構會表現出不同的衰減特性。經過多次投影數據采集后，利用重建算法將二維投影數據轉換為三維圖像信息，從而實現對內部結構的精確可視化。通過360°不同角度方向成像之后，利用算法技術將2D圖像還原成3D模型，之后可以通過3D模型進行不同的剖切與分析來研究樣品內部結構情況。

2.2 超聲成像技術

超聲成像技術是通過發射器發出超聲波在電池內部介質中傳遞后發生衰減，被接收器接收后從而分析波的能量變化從而進行電池內部無損分析[10-11]。超聲成像技術通常可以采用反射法與透射法進行，其原理圖如圖1所示。

透射成像則是利用了超聲波穿過被測物體后的衰減特性來生成圖像。當超聲波穿透電池組件時，其能量會因吸收、散射等因素而減弱，根據透過部分的信號變化情況可推斷出內部材質分布及密度變化[12-13]。通過對整個鋰離子電池進行掃描，可以評估電池內部物質分布的均勻程度，這對于理解電池性能的一致性至關重要。反射成像是基于超聲波遇到不同介質界面時會發生反射的原理。通過分析從電池內部各層結構返回的超聲波信號的時間和強度，可以構建出電池內部結構的圖像[14]。反射成像能夠有效地檢測到鋰離子電池內部存在的諸如氣泡、裂紋或分層等缺陷。這是因為這些缺陷與周圍材料之間的聲阻抗差異較大，導致超聲波在此處發生強烈的反射。因此通常情況下，透射成像更多情況下應用于電池老化研究，反射成像則應用于電池內部缺陷分析。

本研究選取一款280Ah的磷酸鐵鋰體系儲能用鋰離子電池，結合CT掃描技術與超聲成像技術進行無損分析。

3 實驗與分析

利用CT掃描技術，可以很好地觀察到鋰離子電池內部結構、極片的完整性與整齊度，同時可以觀察內部是否存在缺陷、脫焊等異常狀況。

在結構分析與缺陷檢測之外，CT掃描技術也可以應用于鋰離子電池的熱失控分析[15]。鋰離子電池的熱失控是一種復雜的物理化學過程，通常由內部短路、外部高溫環境或機械損傷等因素觸發。該現象涉及一系列連鎖反應，最終導致電池溫度急劇上升，并可能引發火災、爆炸等嚴重事故[16]。熱失控始于電池內部某一點的能量異常釋放，這可能是由于隔膜破裂引起的正負極直接接觸，或是電解液在高溫下的分解反應。一旦局部區域溫度升高至某一閾值，SEI膜開始分解，暴露的電極材料與電解液發生劇烈氧化還原反應，進一步加劇了熱量的生成。隨著溫度繼續上升，正極材料發生相變，釋放出氧氣，這些活性氧與電解液中的有機溶劑接觸后極易燃燒，形成不可控的放熱反應鏈[17-18]。熱失控后的電池通常會發生很嚴重的形態破壞，殘存極片處于非常脆弱的狀態。一旦進行拆解則會徹底破壞其內部的狀態，無法進一步研究其熱失控產生的位置和原因。利用CT掃描技術可以很好地避免這一問題，有效地對電池內部熱失控后的狀態進行觀察研究，如圖2。

由圖2可發現，該電池熱失控后發生了顯著的形變，電池鼓脹明顯，泄壓閥已完全開放，電池內部充滿了融化后凝固的金屬顆粒。通過正面觀察可以發現，整體破壞最嚴重的位置處于電池中心處的一個繞組。同時多條內部氣體通路由該位置通向電池的不同方向，因此可以初步斷定該位置便是熱失控起始位置，從而方便實現災后分析與事故調查。

鋰離子電池超聲成像分析研究：使用超聲成像技術能夠針對電池進行超聲掃描，針對掃描后不同切片進行內部損傷分析，圖3展示了經過反射法掃描后兩種存在較為顯著缺陷的情況。

圖3左側的圖片展示的鋰離子電池整體電解液分布較為均勻，但中間偏右部分存在較為明顯的條紋狀顏色分界，該情況是由于該區域的電池極片舒展度較差，存在一定褶皺，造成該區域的電極與電解液分布較其他部分并不十分均勻[19]；同時電池右下角存在卵圓形斑點，通常情況可能是由于電池存在一定的產氣造成的小型氣泡。右側圖像展示了另一只鋰離子電池的反射掃描情況。其中右上方存在較為明顯的不規則缺陷，通過觀察可以發現，該缺陷下方有縱向下的延長，因此該缺陷可能是由于該區域電池極片存在一定彎曲和褶皺從而導致的，通過CT掃描可以較好地驗證這一點，如圖4。

圖4中針對該區域的進行CT掃描，從掃描結果看超聲顯示的缺陷區域確存在極片的褶皺情況，兩種無損掃描的情況。

利用透射法可以針對電池老化情況進行無損檢測，循環后的電池超聲成像中出現了明顯的顏色差異和不均勻區域。隨著電池的循環次數增加，電解液可能會逐漸失去其均勻浸潤能力，導致某些區域電解液不足，從而影響電池性能[20]。長期循環會導致電極材料的結構變化，包括活性物質的剝落、顆粒間的接觸減少以及電極表面形成SEI膜增厚。這些變化會降低電池的容量和功率性能，并可能導致熱失控風險增加。

4 總結與展望

本研究通過結合CT掃描技術和超聲成像技術，對鋰離子電池進行了全面的無損分析。在鋰離子電池的發展背景下，鋰離子電池因其高能量密度、長循環壽命以及成本效益而成為關鍵的儲能解決方案之一。然而，隨著其應用范圍的不斷擴大，特別是對于電動汽車和大規模儲能系統的依賴增加，提升這些電池的安全性、可靠性和經濟性成為當前研究的重點。

通過對鋰離子電池內部結構及其熱失控現象的研究，我們發現CT掃描技術能夠精確地展示電池內部的微細結構變化及缺陷情況，尤其是針對熱失控后的狀態分析提供了重要的參考依據。同時，超聲成像技術則展示了其在檢測電池老化、內部物理損傷以及電解液分布方面的獨特優勢。實驗結果表明，兩種無損檢測方法相結合可以更全面地評估電池的健康狀況，為改進電池設計、延長使用壽命提供了科學依據。

在未來進一步的研究中，可以拓展無損檢測技術到在線監測中，能夠實現在鋰離子電池在線工作情況下進行的無損分析與預警。

基金項目：本項研究受國家重點研發計劃“耐高溫長壽命高安全鋰電池研究”（2022YFE0207300）、天津市科技人才項目（24ZYJDSS00140）、中國科協青年人才托舉項目（2021QNRC001）支持。

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