电芯扫描仪


  1. 气泡检测

  由于超声波在气体介质中的传播非常困难,可利用其对气体敏感的特性实现成像目的。示例中,在塑料片中密封一层厚度约50μm且具有一定形状的气体,模拟电池内部产气,将其放置在电池表面后进行超声扫描检测,超声信号会因气体的存在而无法穿透电池,于是呈现出既定的成像。该超声检测精度可达1mm。

 

  2. 电解液检测

  (1) 软包电池

  下图是对软包锂电池注液后静置过程中的电解液分布进行超声扫描检测,得到了完整清晰的电解液在电池内逐渐浸润过程的图像结果。图中绿色均匀的区域为电解液浸润完全的区域,而颜色偏蓝的部分为电解液尚未浸润完全的区域。通过超声的图像变化可以看出,此软包电池在经历了42小时的静置才达到内部浸润完全状态,所以此种软包电池注液和化成两步骤间的时间间隔需要设定为42小时以上。这样的实验结果对于实际电池生产过程中的工艺优化有着重大意义。

 

  (2) 硬壳电池

  下图是两块不同硬壳电池的电解液分布超声扫描图像结果。左图电池的扫描区域呈现均匀的绿色分布,说明其电解液浸润情况良好,表现出声学特性的一致性较优。在右图电池的超声扫描图像结果中,其左、右上角部分均呈现出不同程度的淡蓝色,说明该部分电解液浸润不完全,导致该区域的声学特性异于他处,一致性较差。

  3.电池失效分析

  (1)放电深度对循环稳定性的影响
 


 

  将两个软包电池在不同条件下持续进行2年的充放电循环。图A可以看出放电深度(DOD)的增加会导致更加严重的容量衰减。在25% DOD下,循环900小时后电解液仍能保持较好的浸润性(图B),且电解液的体积变化,归一化容量损失及电池厚度变化均不明显,电池整体性能较好。而当DOD提升至100%,充放电倍率提升至C/3后,各项指标均发生明显的恶化(图E)。可能的原因是天然石墨负极表面SEI的不断增厚导致电极材料发生肿胀,进而使电解液无法充分浸润整个电极。同时,电池的极化现象也愈发严重(图F)。通过超声检测结果证明,深度充放电导致的电池衰减源自电解液“退浸润”(指电解液由于自身损耗、极片膨胀等原因,由原先浸润良好的状态,退化成浸润不良的状态。Zhe Deng, et al. Ultrasonic Scanning to Observe Wetting and “Unwetting” in Li-Ion Pounch Cells. Joule, 4, 1-13, 2020)现象。

  (2)无负极锂电池失效分析

  利用X射线断层扫描对锂层的厚度进行测试,可以看到,1-50-80圈的循环过程中,双层锂的厚度由36微米增加到41微米再到54微米。利用锂电池超声扫描技术来检测电解液的消耗情况,超声波会在气液界面处发生反射而无法穿透电池,红色到蓝色的变化反映了超声透射信号由强变弱。随着孔隙度增加,导致电解液发生“退浸润”,诱发失效。图(d-g)和(h-k)分别是低压力和高压力下电池不同循环次数后的超声扫描图。蓝色代表了电解液浸润不足的区域。可以看出,电池在高压下表现出更佳的电解液浸润性。

  4. 破损检测

  软包电池在制作过程中,都需经过抽真空封装的工序,如此电池内部会存在一定的负压。若电池发生了损伤,即使是极其微小的创口,都会有气体进入电池,并可能导致更多的产气副反应发生,造成安全隐患。一旦有气体进入电池,必然会阻碍超声信号在电池中的传播,于是可从成像结果反映出来。如下图所示,在软包电池的右上角做了140μm的针刺破坏处理,从外观上看不出任何异常,但通过超声扫描检测后发现,电池右上角部分呈现出蓝色区域,印证了电池因损伤而有气体的存在。

  5. 析锂检测

  免拆解实时监测低温析锂,快速确定不同温度、不同SOC下的析锂边界电流,制定最合理的快充策略。

  (1)软包电池:下图为某软包电池在5oC下充放电测试的超声扫描结果:

  当电池在20A电流下充放电时,经过30次循环后,电池内部并未发生任何明显变化,可判断该电流是电池充放电能承受的电流大小。将电流大小提升至30A后,扫描测试图像显示电池内部出现了明显变化,根据实验设置的低温快充工作条件,可判断电池发生了析锂。这是因为析锂过程中,会有新鲜的锂析出后与电解液发生电化学反应,产生一定量的气体,从而阻碍了超声信号在电池中的传播。

  下图为某软包电池在0 oC下的充放电循环超声测试结果。

  电池经充放电后,中心区域观察到超声信号强度剧烈衰减,初步判断有析锂发生,通过拆解电池比对,可观察到隔膜上靠负极一侧存在有刺入隔膜的活性锂,拆解结果与超声测试结果吻合。

 

  (2) 硬壳电池:下图为某硬壳电池在-20oC下充放电测试的超声扫描结果:

 

  在初始状态下,扫描测试的图像结果显示颜色分布很均匀,随着充放电循环的进行,析锂程度不断加深,电池内部产生的气体量也随之不断增加,从第17圈开始,可以观察到一些蓝色斑点的出现,到了第35圈时,整个电池内部都呈现出蓝色的扫描图像结果,说明了该充放电条件下电池内部因析锂导致产生了大量的气体。
 

  6. 荷电状态分析

  对于大电池而言,由于内部材料分布不一定均匀,且极耳在空间分布上不对称等因素的影响,实际电池内部存在不同区域内SoC不一致的现象。锂电池在充放电过程中锂离子在正负极材料上的嵌入和脱出,不同SoC下正负极材料的嵌锂/脱锂态不同,宏观表现为电池结构特性上的不同,超声对电池结构特性有着较为明显的效应。我们以声学特性为指标研究电池的荷电状态,通过扫描系统获取整块电池的声特性分布信息,可对电池的SoC分布成像和实现高精度SoC监测。

  如下图,是某软包锂电池恒流充放电循环数圈过程中超声信号峰峰值与SoC的变化关系曲线,可看出这些曲线基本重合,说明超声信号随电池SoC的变化是规律且稳定的。
 

 

  下图是经过归一化处理后得出的电池不同位置SoC变化的超声扫描图。不难发现,该电池右下角靠近正极极耳部分的充电速度高于其他区域。

  7. 循环稳定性预判

  分别注入电解液A和电解液B的两个软包电池,在前270圈的充放电循环过程中,电压-容量曲线无明显变化,无法对其循环稳定性进行比较。通过超声扫描测试,不难发现,注入电解液A的软包电池的内部已出现大部分蓝色区域,而另一块电池的内部区域未见蓝色,可见循环稳定性更佳。超声对微量产气具有超灵敏性,可先于电化学方法检测到副反应,进而预判长期循环稳定性。