[发明专利]一种用于锂离子电池结构内部变形场的快速测试技术

说明书

本发明公开了一种用于锂离子电池结构内部变形场的快速测试技术，该方法先在正负极集流体上涂布浆料得到电极片；然后在一次涂布后的电极片表面添加微米尺寸内部标识点；在电极片两面进行浆料的二次涂布，然后将制备好的含内部标识点的电极片做成锂离子电池；然后，通过调节CT成像系统参数，在较好的内部标识点体素特征对比度下尽量缩短单幅投影的曝光时间，实现快速成像；结合数字体相关内部变形测量方法，获取锂离子电池内部三维全场位移和全场应变。本发明用于解决锂离子电池在不同充放电阶段和多周循环过程中的内部变形场原位快速测量问题。对比现有技术，本发明缩短了单幅投影的曝光时间和CT成像时间，大幅减少辐射损伤。

技术领域

本发明涉及锂离子电池结构内部变形场的快速测试技术，属于材料和结构内部观测技术领域。

背景技术

传统商业化锂离子电池正负极材料在充放电过程中变形一般不超过10％，结构失效和容量衰减问题不是非常突出。但近年来随着高容量合金类负极材料(如硅、锗、锡等)的出现，在嵌/脱锂过程中这类材料过大的体积变形导致结构失效和可逆容量衰减。由这类材料组成的锂离子电池伴随着突出的电化学-力-热耦合行为，无论是微观的电极层面，还是宏观的单体电池和电池组层面，由电池内部体积变形引起的结构失效等问题是限制其商业化应用的关键因素之一。

目前还没有关于真实锂离子电池内部变形场测量实验报道，尤其缺乏锂离子电池在多周循环过程中的内部变形和损伤行为原位观测实验技术。传统单一的电化学或力学方法、以及对电极材料颗粒层面和对半电池的研究不能很好的解释真实全电池的内部变形和结构失效问题。目前已有的表征材料表面信息的技术如透射电镜、扫描电镜、光学技术等对真实电池内部变形信息的获取无能为力。虽然现有的三维X射线断层扫描成像(CT)方法能获取电池结构内部形貌，但由于锂离子电池中的大部分材料(如隔膜、活性材料、电解液、铝箔集流体等)对X射线吸收系数小，使用现有的小型实验室CT仪器扫描成像时间长，一般需要半个小时以上(5～30μm分辨率)，对于某些纳米分辨率成像的扫描时长甚至超过20小时，对锂离子电池产生严重的辐射损伤，导致电池内部发生化学变化和形貌变化，使得图像质量差，采用数字体相关(DVC)内部变形测量的误差大，因此无法满足在多周循环过程中对锂离子电池的多次扫描成像和真实内部变形场的测量。因此，发展锂离子电池内部变形场测量的快速CT成像实验技术具有重要的科学意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对锂离子电池结构内部变形场的快速测试技术，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于锂离子电池内部体素特征构建方法的快速CT成像内部变形测量方法，包括如下技术方案：

(1)在正负极集流体的两侧涂布由活性物质、粘结剂和导电剂混合制备成的浆料；

(2)制备微米尺寸的内部标识点，并在一次涂布后的正负极电极片表面添加内部标识点；

(3)将含内部标识点的正负极电极片烘烤后，经过轻压实将标识点压入步骤(1)所得的浆料内部；

(4)在正负极电极片两面进行浆料的二次涂布；

(5)将步骤(4)所得的正负极电极片经过烘烤、辊压工序后，得到含内部标识点的锂离子电池正负极极片；

(6)将步骤(5)所得的正负极极片依次经过分条，卷绕、包装、注液、封口、化成工艺做成锂离子电池；

(7)通过调节CT成像系统参数，在较好的内部标识点体素特征对比度下尽量缩短单幅投影的曝光时间，实现快速成像，并通过图像重构得到三维图像；

(8)结合数字体相关内部变形测量方法，对步骤(7)所得三维图像进行分析，获取锂离子电池内部三维全场位移和全场应变。

上述方法解决了锂离子电池在不同充放电状态和多周循环过程中的快速CT成像和内部变形场测量问题，大幅度缩短单幅投影的曝光时间及总成像时间。