在汽車和其他電動(dòng)汽車（EV）中，電池是＊昂貴和安全關(guān)鍵的部件之一。它對(duì)車輛行駛里程的影響＊大，質(zhì)量差可能導(dǎo)致快速退化。目前，鋰離子電池（LIB）是市場(chǎng)上＊常見的電池。由于鋰離子電池在整個(gè)車輛中所占的成本較高，而且鋰離子電池也是高度安全關(guān)鍵的，因此必須使用＊新的電池測(cè)試技術(shù)以＊大的可靠性保證鋰離子電池的完整性。
除了設(shè)計(jì)成熟的產(chǎn)品外，電池也是研究的熱點(diǎn)。研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)從電池設(shè)計(jì)到組件的微觀結(jié)構(gòu)表征。科學(xué)家們的目標(biāo)是優(yōu)化鋰離子電池的陽極和陰極材料，并探索固態(tài)電池等新概念，因?yàn)楣虘B(tài)電池的內(nèi)部固定設(shè)計(jì)尚未建立。
消費(fèi)電子產(chǎn)品需要更高能量密度的電池。＊近發(fā)生的事件表明，必須保證這些裝置的安全，尤其是如果這些裝置是由人體攜帶或在公共交通工具上攜帶的話。
圖1：智能手機(jī)電池 圖2：棱柱形電動(dòng)汽車電池
挑戰(zhàn)
從制造角度來看，必須對(duì)電池進(jìn)行測(cè)試，以避免各種缺陷，從而實(shí)現(xiàn)＊大的安全性。例如，LIBs的電池外殼必須完全密封，因?yàn)殡娊庖涸谂c水接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇毒氫氟酸，這對(duì)人類和環(huán)境有害。外殼焊接過程中可能出現(xiàn)的金屬污染可導(dǎo)致短路并導(dǎo)致熱失控。雖然分層、陰極或陽極厚度變化以及陽極重疊都是內(nèi)部缺陷，這些缺陷＊初可能不會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性故障，但它們會(huì)降低電池的容量和壽命。
在電動(dòng)汽車或消費(fèi)電子產(chǎn)品中優(yōu)化具有更高容量和功率的高性能電池是一個(gè)持續(xù)的過程。通過改進(jìn)制造工藝和單元幾何形狀，可以實(shí)現(xiàn)較小的進(jìn)步。然而，對(duì)于更大的步驟，必須開發(fā)出全新的材料，這本身就帶來了一系列挑戰(zhàn)，例如在加載循環(huán)期間硅陽極體積的巨大變化以及由此產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。
體積圖形解決方案：計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）提供了一種整體方法，從電池研發(fā)和批量生產(chǎn)到第二生命市場(chǎng)的質(zhì)量檢查
傳統(tǒng)上，電池是根據(jù)其容量和電阻進(jìn)行電氣測(cè)試的。機(jī)械缺陷通常未被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)闊o法用常規(guī)方法查看密封外殼內(nèi)部。然而，使用計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）進(jìn)行電池檢查使您能夠查看組裝好的電池內(nèi)部，體積圖形軟件提供了正確的工具，可以利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行＊終質(zhì)量檢查，消除對(duì)電池完整性的任何揮之不去的懷疑。
VGSTUDIO MAX軟件使客戶能夠在各種情況下測(cè)試電池，無論電池是內(nèi)部生產(chǎn)的、由供應(yīng)商提供的，甚至是已經(jīng)安裝在其預(yù)期組件中的。CT使您能夠查看電池內(nèi)部并在缺陷影響組件的安全性或可靠性之前發(fā)現(xiàn)缺陷。
圖3a：電動(dòng)牙刷的電池檢查。為了提高分辨率，只掃描了帶有電池和電子板的區(qū)域。
在研發(fā)中，用于表征電池活性材料的主要3D成像技術(shù)是聚焦離子束銑削與掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）相結(jié)合。CT技術(shù)的＊新進(jìn)展可以達(dá)到高達(dá)30nm體素大小的分辨率，這使其成為經(jīng)典顯微CT和FIB-SEM的合理替代品。VGSTUDIO MAX獨(dú)立于圖像源，提供了微觀結(jié)構(gòu)表征工具，以獲得有關(guān)電池建模用多孔空間的粒度或彎曲度等統(tǒng)計(jì)信息。此外，隨著時(shí)間的推移，三維位移可以通過數(shù)字體積相關(guān)性進(jìn)行量化，該相關(guān)性比較多個(gè)掃描，例如在循環(huán)期間或成型過程前后。
圖3b：電動(dòng)牙刷的電池檢查。電池和外殼內(nèi)的電子板。
詳細(xì)介紹了體積圖形解決方案
電池制造
為了證明電池生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題，我們有意生產(chǎn)有缺陷的電池，并使用工業(yè)CT和體積圖形軟件檢測(cè)各種缺陷。
金屬顆粒
棱柱形電池蓋通常焊接到外殼的其余部分。選擇不當(dāng)?shù)暮附訁?shù)可能會(huì)導(dǎo)致小金屬顆粒落在電池內(nèi)，并損壞膠輥內(nèi)的分離器。VGSTUDIO MAX中的夾雜物分析使您能夠檢測(cè)這些顆粒，并量化其大小和位置，以確定顆粒是否關(guān)鍵。
圖4：帶有金屬夾雜物的棱柱形電池
陽極重疊
陽極重疊是LIBs中一個(gè)重要的安全標(biāo)準(zhǔn)。如果它太小，就有鍍鋰的危險(xiǎn)——鋰的純金屬沉淀會(huì)損壞分離器，導(dǎo)致短路，在＊壞的情況下，還會(huì)導(dǎo)致熱失控。CT檢查允許您檢查是否有足夠的重疊，即使電池已經(jīng)密封或安裝在電氣設(shè)備中。
圖5：陽極重疊是LIBs的一個(gè)安全關(guān)鍵特性，可通過計(jì)算機(jī)斷層掃描進(jìn)行測(cè)量。此圖像是分析結(jié)果的彩色編碼可視化。
分層
圖6b：果凍卷，由盤繞的陽極、陰極和分離器組成。層間的暗間隙為分層。
雖然分層＊初不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重失效，但它會(huì)降低電池的容量和壽命。它還可能引發(fā)鋰鍍層，從而損壞分離器，并導(dǎo)致電池出現(xiàn)安全關(guān)鍵故障。體積圖形軟件不僅能夠在制造過程中可視化分層，而且能夠在多個(gè)充電循環(huán)后出現(xiàn)分層時(shí)在以后的維護(hù)中可視化分層。
圖6a：垂直于層的灰度值調(diào)查能夠通過具有低灰度值的較大平臺(tái)檢測(cè)分層。
研發(fā)優(yōu)化
陽極和陰極材料的特性正在進(jìn)行研究。使用VGSTUDIO MAX中的粉末分析，您可以描述活性材料每個(gè)單獨(dú)顆粒的大小和形狀，并在全球統(tǒng)計(jì)中對(duì)其進(jìn)行量化。此外，可以在特定方向上研究粒度分布，以查看顆粒直徑或形狀隨涂層厚度的變化。
圖7：電池活性材料中的顆粒可以分離，并根據(jù)顆粒大小進(jìn)行顏色編碼。
新電池概念
像固態(tài)電池這樣的新電池概念可能需要全新的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于尚未建立固定的設(shè)計(jì)，分析方法也必須靈活。＊近的一個(gè)例子是開放式陶瓷泡沫，它是使用復(fù)型方法制造的，其中聚合物泡沫涂有陶瓷粉末。聚合物在燒結(jié)過程中燃燒，在結(jié)構(gòu)中留下空心支柱。使用VGSTUDIO MAX，您可以分別描述支柱內(nèi)的開放式泡沫和空心通道的細(xì)胞特征，并在易于使用的工作流中對(duì)其進(jìn)行量化。
圖8：泡沫陶瓷是未來固態(tài)電池電解質(zhì)材料的潛在候選材料。由于復(fù)制品制造過程的原因，struts中存在薄通道（藍(lán)色）。
