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工業CT技術的優勢

★無損檢測：工業CT技術能夠實現對鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）內部結構的無損觀察。

★精確測量：可以精確測量電極間的距離，并觀察正極/負極端子引線的連接狀態。

★動態監測：連接充放電裝置后，能在充放電后觀察電池內部結構的變化。

概述

鋰電池作為一種通過鋰離子在正負極間移動實現充放電的二次電池，以其低成本和高能量密度在智能手機、筆記本電腦等領域得到廣泛應用。隨著電動汽車行業的迅猛發展，各廠商正致力于研發更持久的電池技術以延長續航能力。除了續航能力，安全性也是鋰電池的重要考量因素。制造缺陷，如異物混入和卷繞異常，可能導致短路，引發火災和爆炸。因此，制造條件的設定和生產檢測至關重要。X射線CT系統是實現這些目標的有效工具。

本文介紹了使用X射線CT系統并連接充放電裝置對柱狀鋰電池進行解析的案例。

圖1 微焦點X射線CT系統inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus

圓柱形鋰電池的透視分析

圖2展示了21700型鋰電池單體的透視圖像，其對比度取決于材料對X射線的吸收差異。透視檢查是一種快速觀察電池內部形態的方法。如圖3所示，電極由負極、正極和隔膜組成，按照特定順序排列。

圓柱形鋰電池的X射線CT掃描

X射線CT提供了對鋰電池更深入的分析能力。圖4展示了21700型鋰電池的橫斷面圖像，圖5則為3D圖像。橫斷面圖像中可以清晰區分負極和正極以及極耳，而3D圖像則允許部分提取或選擇性顯示特定材料以觀察內部結構。

圖4  21700鋰電池的橫斷面圖像

圖5  21700鋰電池內部的3D圖像

圖6為21700型鋰電池的橫斷面圖像。展開位置如圖6-A中的紫色線所示，展開的圓柱體橫斷面圖像如圖6-B所示，可見極耳，放大后可以觀察到其節點結構。除了垂直和水平橫截面觀察外，還可以沿著柱狀表面進行觀察，因此，可以觀察到電極在軋制前的狀態。

A表示展開位置                           B未卷繞橫斷面圖像

圖6  21700 鋰電池的未卷繞橫斷面圖像

電極間距離的精確測量

圖7和表1展示了電極間各種距離的測量結果。除了直接測量橫斷面圖像上的長度，如圖8所示，正負極的間距也可以從灰度值的輪廓線中測量得出。

圖7  電極間距離測量結果

表1 電極間高度和寬度測量結果

A：線輪廓線A                       B：線輪廓線B

圖8基于灰度值線輪廓的距離測量結果

充放電裝置

鋰電池在充放電過程中會發生一系列物化反應，導致電池老化。研發過程中需要評估電池壽命和老化程度，觀察電池內部結構的變化。本裝置允許在充放電過程中進行CT掃描，也可以連接到用戶自行準備的充放電設備上。

*3 X射線CT的主要規格與標準inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus相同。

圖9 inspeXio™SMX™-225CT FPD HR Plus，充放電連接系統（示意圖）

充放電后的內部結構變化

圖10展示了18650型鋰電池在充放電測試前后的橫斷面圖像。測試后的圖像中，紅色框指示的部分顯示了電極的變形，表明即使外觀無變化，內部電極也可能發生變形。

通過X射線CT系統可以無損地觀察到電池的內部狀態。

圖10 18650型鋰電池的橫斷面圖像

結論

本文介紹了使用X射線CT系統并連接充放電系統對圓柱形鋰電池進行分析的案例。X射線透視適合快速簡單的觀察和檢查，而X射線CT系統則能提供更詳細的內部狀態觀察和分析，包括測量電極間距離和觀察極耳連接部。通過定制的充放電裝置，可以原位觀察電極的變形過程。因此，CT系統在研發、工藝制定和檢測中扮演著重要角色。

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