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用户论文:高分辨率显微CT助力锂电池的安全性能研究

时间: 2019-09-16 发布者:三英精密
今年六月底,国际能源署(International Energy Agency,IEA)发布了《全球电动汽车展望2019》,报告中指出,到2030年全球电动汽车销量或将达到2300万辆,保有量超过1.3亿辆,而中国将以57%的市场份额领先全球。但同时也对电动汽车的安全性能提出了更高的要求,作为其关键技术的动力电池性能直接决定了电动汽车的安全性、经济性等。

动力电池穿刺实验可作为测试其机械安全性能的重要手段,以往的研究主要集中在穿刺引起的电池热失控方面,对电池内部结构的影响却极少被讨论,而内部结构对于电动汽车和电池的安全设计和事故分析尤为重要。

中国汽车技术研究中心的马天翼博士及其研究团队,利用三英精密的X射线显微CT设备,实现了对穿孔后18650NCM电池内部结构的无损检测,同时结合力学分析和仿真研究了穿刺速度对电池内部结构的影响。文章发表在Elsevier期刊Journal of Power Sources上。

三英精密的nanoVoxel-4000系列属于高功率显微CT系统,采用高电压开放式微焦点射线源和高灵敏度探测器,该系统可实现对密度较大的金属样品内部结构的高清晰度成像。文章中依托CT扫描图像,再结合SEM扫描及XRD成分分析,实现了在穿刺实验中,对18650NCM电池内部结构和电极材料演变的观测。

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Fig.1. (a)NCM电池充放电形式;(b)~(d)穿刺速度分别为0.1mm/s、10mm/s及100mm/s时,电池电压和温度的变化,结果表明,穿刺速度的增大加速了电池的热失控。


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Fig.2.穿刺后电池内部结构的CT图像:(a)~(d)为穿刺电池3D、XZ方向、YZ方向及XY方向的CT图像;(e)~(p)分别在穿速为0.1mm/s、10mm/s、100mm/s时,电池3D、XZ方向、YZ方向及XY方向的CT图像:从XZ、YZ方向看,钢针会把周围的电极推向穿刺的方向,从XY方向看,穿速越快,电极的变形程度越大。


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Fig.3. (a)穿刺示意图:最外侧黑色圈为电池外壳,深紫色圈为正极极片,浅紫色圈为负极极片,浅绿色为钢针;(b)~(d)穿速不同时,钢针所受的力随时间的变化。


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Fig.4.钢针穿刺前后,电池内部结构的比较:(a)穿刺实验前:CT图像明暗度是由材料的密度决定的,亮度越大,密度越大,低亮度区域表示负极材料和铝集流体,高亮度区域表示正极材料和铜集流体,电池内部最暗区域表示电池的中空部分;(b)穿刺实验后:由于穿刺和热失控引起电池内部结构损伤,空心部分体积增大。


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Fig.5.钢针穿刺前后,电池的形态研究:(a)剥离钢壳后的电池电极;(b)电极材料(黑色粉末)的扫描电镜(SEM)图像;(c)~(f) C、Co、Mn和Ni元素的能谱分析(EDS); (g)电极材料的X射线衍射(XRD)图像。


通过CT检测,马天翼博士等人还发现,穿刺速度会对电池产生两方面的影响:一是,钢针穿透隔膜,导致电池的负极和正极接触,形成内部短路,短路释放大量的热使电池过热,从而致使电池内部呈现云雾状;二是,钢针的穿刺造成内部结构的变形,主要集中在电池的中心部位。

高分辨率显微CT实现了电池内部结构的三维可视化,解决了因拆卸等原因造成的内部结构二次损伤等难题,完美清晰地展示出电池内部的真实情况,一直以来,三英精密致力于为科研工作者提供解决问题的新思路,今后也将继续为各行各业工作人员提供更加有力的助力!



致谢:感谢马天翼博士对本文的修改和指导!

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775319309218?via%3Dihub



目前对18650锂电池横截面全视野的CT扫描,可以获得下图所示的清晰程度:

锂电池777.jpg


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