探秘鋰離子電池生產(chǎn)——“CT及X-Ray檢測(cè)基礎(chǔ)工序”

在鋰離子電池制造過程中，X-Ray檢測(cè)工業(yè)CT檢測(cè)是兩大核心無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。它們?nèi)缤娦镜摹巴敢曆邸焙汀叭S掃描儀”，保障了電池的安全性與一致性。本文將深入解析兩者的區(qū)別、作用原理，以及如何通過它們精準(zhǔn)捕捉電池內(nèi)部缺陷。

X-Ray檢測(cè)

• 原理：基于材料密度差異對(duì)X射線的吸收程度不同，生成二維灰度圖像。例如，鋁箔吸收弱呈暗色，鈷酸鋰吸收強(qiáng)呈亮白色，通過對(duì)比度差異識(shí)別極片錯(cuò)位、隔膜破損等問題。

• 優(yōu)勢(shì)：速度快（單顆檢測(cè)≤10秒）、成本低，適用于產(chǎn)線實(shí)時(shí)全檢。

• 局限：僅能提供平面影像，難以觀察復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。

工業(yè)CT檢測(cè)

• 原理：通過多角度X射線掃描，結(jié)合三維重建算法生成斷層圖像，可分層觀察電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如電極層間距、卷繞對(duì)齊度）。

• 優(yōu)勢(shì)：分辨率高達(dá)微米級(jí)，支持電極厚度測(cè)量、異物定位及充放電過程動(dòng)態(tài)追蹤。

• 局限：檢測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)，設(shè)備成本高，主要用于研發(fā)和離線抽檢。

典型應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比

• X-Ray：產(chǎn)線極片錯(cuò)位（如overhang＞0.3mm）、金屬異物攔截；

• CT：電極斷裂分析、循環(huán)老化形變觀測(cè)、極片對(duì)齊度三維量化。

攔截致命缺陷

• X-Ray：可識(shí)別0.3mm以上的極片褶皺、隔膜針孔，避免析鋰和熱失控風(fēng)險(xiǎn)。例如，某頭部電池廠通過X-Ray攔截0.3mm缺陷，良率提升5%。

• CT：檢測(cè)卷繞/疊片工藝的層間錯(cuò)位（誤差＞0.1mm）、極耳焊接孔隙，防止電池膨脹爆炸。

優(yōu)化生產(chǎn)工藝

• X-Ray：通過灰度圖像分析極片毛刺、對(duì)齊度，實(shí)時(shí)反饋調(diào)整卷繞張力參數(shù)。

• CT：量化充放電后電芯膨脹程度（如18650電池滿電膨脹0.2mm），指導(dǎo)殼體設(shè)計(jì)。

質(zhì)量追溯與研發(fā)支持

• 兩者均生成數(shù)字化影像檔案，支持缺陷溯源。CT還可模擬電池老化過程，為高能量密度電池設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

X-Ray檢測(cè)流程

• 參數(shù)設(shè)置：電壓80-150kV、電流0.5-2mA，確保穿透力與圖像清晰度。

• 缺陷識(shí)別

• 極片錯(cuò)位：通過灰度邊界距離計(jì)算overhang值（圖2-B）；

• 金屬異物：高密度物質(zhì)在圖像中呈亮白色斑點(diǎn)（如鐵屑＞50μm）。

• AI輔助：自動(dòng)報(bào)警閾值設(shè)定（如極片錯(cuò)位＞0.3mm觸發(fā)報(bào)警）。

CT檢測(cè)流程

• 掃描重建：以225kV分辨率掃描，生成橫縱截面及3D圖像（圖4-5）。

• 深度分析

• 電極斷裂：通過斷層圖像定位彎折點(diǎn)暗斑（斷裂距離＞0.1mm）；

• 極片對(duì)齊度：三維測(cè)量各層極片長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差（如＞800μm判定為工藝缺陷）。

• 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：連接充放電裝置，追蹤循環(huán)后電極變形（圖10）。

典型案例

• X-Ray：某方形電池因分條寬度波動(dòng)導(dǎo)致角位overhang異常，通過調(diào)整分條COV值解決；

• CT：軟包電池檢測(cè)到10mm極片褶皺，優(yōu)化疊片壓力參數(shù)后消除空隙風(fēng)險(xiǎn)。

X-Ray：向更高精度（10μm→5μm）和在線全檢發(fā)展，結(jié)合AI實(shí)現(xiàn)缺陷自動(dòng)分類。

CT：加速國(guó)產(chǎn)替代，開發(fā)在線CT設(shè)備，集成AI算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維分析（如蔡司INSPECT X-Ray軟件）。

技術(shù)融合：X-Ray用于產(chǎn)線快速篩查，CT用于深度失效分析，形成互補(bǔ)閉環(huán)。

一、試驗(yàn)方法和技術(shù)參數(shù)

1.1 試驗(yàn)方法

圖1為X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描試驗(yàn)照片。左側(cè)為Ｘ射線源，中部為測(cè)試樣品臺(tái)，右側(cè)為探測(cè)器。這3個(gè)關(guān)鍵部件均處于屏蔽鉛房?jī)?nèi)部，以確保在測(cè)試過程中，試驗(yàn)人員不會(huì)受到Ｘ射線的輻射影響。

圖1 X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描試驗(yàn)照片

圖2為掃描裝置原理示意圖。如圖2(ａ)所示，X射線從射線源發(fā)射，穿透測(cè)試樣品后由探測(cè)器中的成像單元接收透過的X射線，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后在計(jì)算機(jī)中顯示圖像。18650型鋰離子電池獲得的計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像如圖2(ｂ)和 圖2(ｃ)所示。圖2(ｂ)是電池的橫截面圖像示例，從圖中能夠清晰地觀察到電池內(nèi)部的卷繞結(jié)構(gòu)。圖2(ｃ)是電池的縱截面圖像示例，從圖中能夠觀察到電池結(jié)構(gòu)的整體規(guī)整度。

圖2 X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描裝置示意圖和掃描結(jié)果示例

1.2 技術(shù)參數(shù)

本文所進(jìn)行的X射線斷層掃描分析采用天津三英精密儀器股份有限公司nanoVoxel-4000計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)。在測(cè)試過程中，X射線源電壓設(shè)置為225kV，分辨率為2μｍ；X射線探測(cè)器成像面積為244ｍｍ×196ｍｍ，成像范圍為300ｍｍ×450ｍｍ(直徑 ×高度)。X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描測(cè)試試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描測(cè)試試驗(yàn)條件

二、 結(jié)果和討論

2.1 動(dòng)力電池單體老化程度無(wú)損檢測(cè)

為探究動(dòng)力電池在經(jīng)過長(zhǎng)周期循環(huán)后內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變情況，將1＃樣品在2C倍率下進(jìn)行充放電循環(huán)，并在循環(huán)一定周數(shù)后暫停試驗(yàn)，放電至空電后對(duì)電池進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描，分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。圖3為測(cè)試樣品計(jì)算機(jī)斷層掃描縱截面圖像。圖3(ａ)～(ｄ)分別對(duì)應(yīng)新電池、循環(huán)周期為500、1000和2000周的電池。未經(jīng)過循環(huán)的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常規(guī)整(圖3(ａ))，能夠觀察到層狀的卷繞電極以及電池中央的空隙。循環(huán)至500周(圖3(ｂ))時(shí)，能夠觀察到內(nèi)部電極產(chǎn)生明顯凸起，凸起主要集中于電池底部。循環(huán)至1000周時(shí)一側(cè)電極的底端和上端均出現(xiàn)了凸起，循環(huán)至2000周時(shí)一側(cè)凸起連接在一起，形成了更大的凸起，并在電極另一側(cè)產(chǎn)生較小凸起。

圖3 樣品經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)后的CT掃描圖像(縱向截面)

圖4為測(cè)試樣品計(jì)算機(jī)斷層掃描橫截面圖像。圖4(ａ)～(ｄ)分別對(duì)應(yīng)新電池、循環(huán)周期為500、1000和2000周的電池。在電池樣品的橫截面圖中能夠更好地觀察到電池內(nèi)部電極的卷繞結(jié)構(gòu)，電池內(nèi)部在循環(huán)過程中的形變也可以通過電池中心空隙的變化體現(xiàn)出來(lái)。如圖4(ａ)所示，電池中心空隙呈規(guī)則的圓形，而隨著循環(huán)的進(jìn)行，圓形逐漸凹陷，在循環(huán)2000周后占據(jù)了電池中心2/3以上的面積，同樣說(shuō)明了隨著循環(huán)的進(jìn)行，樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了顯著的形變。電極內(nèi)部的大幅度形變會(huì)導(dǎo)致電池正負(fù)極分離，有效電化學(xué)反應(yīng)面積減小，容量衰減，并具有發(fā)生內(nèi)短路的隱患。

圖4 樣品經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)后的CT掃描圖像(橫向截面)

2.2 動(dòng)力電池單體安全隱患無(wú)損檢測(cè)

2,2.1 結(jié)構(gòu)斷裂

動(dòng)力電池會(huì)由于出廠缺陷或充放電使用過程導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂。電極的斷裂一般會(huì)出現(xiàn)在電池內(nèi)部電極的彎折點(diǎn)，例如圓柱電池卷繞電芯的內(nèi)側(cè)，軟包和方殼電池卷繞和堆疊電極的內(nèi)側(cè)。圖5是對(duì)某款方形硬殼電池內(nèi)部電極進(jìn)行的CT掃描圖像。從圖5(ａ)(ｂ)都能夠觀察到清晰的正負(fù)極層狀結(jié)構(gòu)，對(duì)比度高的層對(duì)應(yīng)正極極片，對(duì)比度低的層對(duì)應(yīng)負(fù)極極片。

圖5 動(dòng)力電池電極結(jié)構(gòu)斷裂檢測(cè)

圖5(ｂ)是將電極另一處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂的部分進(jìn)行放大的CT圖像。如圖中箭頭指示，在電極彎曲部分的靠?jī)?nèi)4層，可以觀察到顏色較暗的點(diǎn)，表明該點(diǎn)電極密度相比于周圍更低，即產(chǎn)生了電極結(jié)構(gòu)斷裂，斷裂距離約為0.13ｍｍ。電極斷裂會(huì)使斷裂點(diǎn)附近的微觀結(jié)構(gòu)電連接程度異于其他區(qū)域，在充放電過程中會(huì)導(dǎo)致電流密度分布不均，造成微量的產(chǎn)熱不均和容量損失。由于電極在循環(huán)過程中會(huì)產(chǎn)生形變，電極的斷裂程度有可能由于電極整體形變而擴(kuò)大，這一假設(shè)需要進(jìn)一步比對(duì)驗(yàn)證來(lái)證明。

2.2.2 電極褶皺

在動(dòng)力電池內(nèi)部，電極是否發(fā)生褶皺可以表征電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體規(guī)整水平，與電池的出廠程度和電池的使用程度相關(guān)。圖6(ａ)和圖6(ｂ) 是對(duì)于2只同型號(hào)方形硬殼電池進(jìn)行CT掃描的結(jié)果?？梢杂^察到，圖6(ａ)中電極在平鋪和彎曲的區(qū)域每一層均表現(xiàn)出較高的一致性，電池卷繞中央的空隙也呈現(xiàn)直線型，規(guī)整度較高；從圖6(ｂ)中可以明顯觀察到，部分電極存在褶皺，電極整體呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)。

圖6 動(dòng)力電池電極褶皺檢測(cè)

圖6(ｃ)是褶皺程度最大區(qū)域的細(xì)節(jié)圖像。最大的褶皺長(zhǎng)度約為10ｍｍ，褶皺弧度約150°，如圖6(ｃ)中的圓形所示，褶皺的出現(xiàn)導(dǎo)致了電極內(nèi)部正負(fù)極之間出現(xiàn)空隙，降低了電池正負(fù)極的有效接觸面積，會(huì)在使用過程中 影響電極的反應(yīng)活性，并增加電池發(fā)生內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)。由于褶皺產(chǎn)生的電池內(nèi)部空隙也會(huì)影響電池的容量和內(nèi)阻，進(jìn)而影響其產(chǎn)熱情況，增加電池模塊或系統(tǒng)中單體的一致性差異。

2.2.3 極片對(duì)齊度

電池的極片對(duì)齊度差異主要是由于電池出廠 時(shí)的工藝水平造成的。對(duì)齊度較差的極片會(huì)導(dǎo)致正極和負(fù)極的不對(duì)稱，不僅會(huì)造成部分容量損失，還會(huì)增加電池發(fā)生內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)。如對(duì)同一型號(hào)的多塊方殼電池進(jìn)行掃描，其中對(duì)齊度不同的電極區(qū)域如圖7所示。

圖7 動(dòng)力電池極片對(duì)齊度檢測(cè)

圖中對(duì)比度較高的區(qū)域?yàn)檎龢O，對(duì)比度較低的區(qū)域?yàn)樨?fù)極。如圖中紅線所示，以2個(gè)掃描區(qū)域中長(zhǎng)度相同的電極為基準(zhǔn)，計(jì)算每一條正極極片與基準(zhǔn)電極的相對(duì)長(zhǎng)度，如圖7(ｃ)所示。得到圖7(ａ)中正極極片的相對(duì)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差為294.38μｍ，圖7(ｂ)中正極極片的長(zhǎng)度差異平均值為810.01μｍ。結(jié)果表明，圖7(ｂ)中正極極片的對(duì)齊度要顯著差于圖7(ａ)。極片對(duì)齊度的差異不僅會(huì)導(dǎo)致電極末端由于正負(fù)極接觸面的減少降低容量，額外突出的正負(fù)極還會(huì)有產(chǎn)生內(nèi)短路的可能性。當(dāng)電池發(fā)生振動(dòng)、碰撞、跌落 時(shí)，對(duì)齊度差的電池更有可能由于正負(fù)極直接接觸而產(chǎn)生內(nèi)短路，大量放熱。

2.2.4 電池內(nèi)異物

電池內(nèi)部異物主要是由于電池出廠的工藝缺陷造成的。由于CT掃描技術(shù)對(duì)于密度高的材料敏感，能夠檢測(cè)到的主要是金屬異物。如圖8所示，圖8(ａ)中檢測(cè)到的是電極中的金屬異物，在電極中能夠觀察到粒徑約100μｍ×200μｍ的高對(duì)比度點(diǎn)，位置處于電池中的2層電極之間，如圖中箭頭所示。電極中的異物在電池使用過程中很可能造成微區(qū)溫度過高，產(chǎn)生安全隱患。圖8(ｂ)是電池密封圈中存在異物的圖像，異物粒徑約為100μｍ。密封圈中的異物可能會(huì)導(dǎo)致電池密封不嚴(yán)，在使用過程中產(chǎn)生電解液泄漏的隱患。

圖8 動(dòng)力電池內(nèi)部異物檢測(cè)

2.3 動(dòng)力電池單體安全性試驗(yàn)后內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 電安全試驗(yàn)

圖9是某款18650電池進(jìn)行過放電測(cè)試前后的CT圖像。圖9(ａ)是未經(jīng)過過放電的空電電池橫截面和縱截面圖像，可以觀察到電池內(nèi)部呈現(xiàn)規(guī)整的正負(fù)極卷繞結(jié)構(gòu)。圖9(ｂ)是該電池經(jīng)過1C過放電至150％DOD，并經(jīng)過1次充-放電至空電。通過CT圖像可以觀察到，電池的整體卷繞結(jié)構(gòu)保持較為完整，但可以看到出現(xiàn)細(xì)小的毛刺，這是電池在過放電過程中正極發(fā)生銅溶出現(xiàn)象導(dǎo)致的。此外，通過測(cè)量正負(fù)極的厚度，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷過放電后，正極厚度從102.7μｍ增加到182.1μｍ，負(fù)極厚度從175.2μｍ增加到 198.6μｍ，表明電極在過放電過程中發(fā)生了增厚現(xiàn)象。

圖9 動(dòng)力電池過放電安全性試驗(yàn)前后CT檢測(cè)

2.3.2 機(jī)械安全試驗(yàn)

圖10(a)是某款18650電池進(jìn)行針刺測(cè)試后的CT圖像?？梢悦黠@地觀察到針刺對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的影響，穿刺孔清晰可見，電池內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)云霧狀，這是由于針刺過程電池發(fā)生熱失控產(chǎn)生高溫和燃燒導(dǎo)致的。圖10(ｂ)是針刺后電池的橫截面圖像，可以看到由于針刺經(jīng)過電池內(nèi)部，產(chǎn)生的作用力對(duì)電池內(nèi)部的整體結(jié)構(gòu)都造成了形變。

圖10 動(dòng)力電池針刺測(cè)試后電池的CT圖像

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