動(dòng)力電池穿刺實(shí)驗(yàn)可作為測試其機(jī)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電池?zé)崾Э胤矫妫瑢?duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響卻極少被討論，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于電動(dòng)汽車和電池的安全設(shè)計(jì)和事故分析尤為重要。

中國汽車技術(shù)研究中心的馬天翼博士及其研究團(tuán)隊(duì)，利用三英精密的X射線顯微CT設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)穿孔后18650NCM電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損檢測，同時(shí)結(jié)合力學(xué)分析和仿真研究了穿刺速度對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。文章發(fā)表在Elsevier期刊Journal of Power Sources上。

三英精密的nanoVoxel-4000系列屬于高功率顯微CT系統(tǒng)，采用高電壓開放式微焦點(diǎn)射線源和高靈敏度探測器，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)密度較大的金屬樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高清晰度成像。文章中依托CT掃描圖像，再結(jié)合SEM掃描及XRD成分分析，實(shí)現(xiàn)了在穿刺實(shí)驗(yàn)中，對(duì)18650NCM電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電極材料演變的觀測。

Fig.1. (a)NCM電池充放電形式；(b)~(d)穿刺速度分別為0.1mm/s、10mm/s及100mm/s時(shí)，電池電壓和溫度的變化，結(jié)果表明，穿刺速度的增大加速了電池的熱失控。

Fig.2.穿刺后電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CT圖像：(a)~(d)為穿刺電池3D、XZ方向、YZ方向及XY方向的CT圖像；(e)~(p)分別在穿速為0.1mm/s、10mm/s、100mm/s時(shí)，電池3D、XZ方向、YZ方向及XY方向的CT圖像：從XZ、YZ方向看，鋼針會(huì)把周圍的電極推向穿刺的方向，從XY方向看，穿速越快，電極的變形程度越大。

Fig.3. (a)穿刺示意圖：最外側(cè)黑色圈為電池外殼，深紫色圈為正極極片，淺紫色圈為負(fù)極極片，淺綠色為鋼針；(b)~(d)穿速不同時(shí)，鋼針?biāo)艿牧﹄S時(shí)間的變化。

Fig.4.鋼針穿刺前后，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的比較：(a)穿刺實(shí)驗(yàn)前：CT圖像明暗度是由材料的密度決定的，亮度越大，密度越大，低亮度區(qū)域表示負(fù)極材料和鋁集流體，高亮度區(qū)域表示正極材料和銅集流體，電池內(nèi)部最暗區(qū)域表示電池的中空部分；(b)穿刺實(shí)驗(yàn)后：由于穿刺和熱失控引起電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，空心部分體積增大。

Fig.5.鋼針穿刺前后，電池的形態(tài)研究：(a)剝離鋼殼后的電池電極；(b)電極材料（黑色粉末）的掃描電鏡（SEM）圖像；(c)~(f) C、Co、Mn和Ni元素的能譜分析（EDS）； (g)電極材料的X射線衍射（XRD）圖像。

通過CT檢測，馬天翼博士等人還發(fā)現(xiàn)，穿刺速度會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生兩方面的影響：一是，鋼針穿透隔膜，導(dǎo)致電池的負(fù)極和正極接觸，形成內(nèi)部短路，短路釋放大量的熱使電池過熱，從而致使電池內(nèi)部呈現(xiàn)云霧狀；二是，鋼針的穿刺造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形，主要集中在電池的中心部位。

高分辨率顯微CT實(shí)現(xiàn)了電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維可視化，解決了因拆卸等原因造成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二次損傷等難題，完美清晰地展示出電池內(nèi)部的真實(shí)情況，一直以來，三英精密致力于為科研工作者提供解決問題的新思路，今后也將繼續(xù)為各行各業(yè)工作人員提供更加有力的助力！

致謝：感謝馬天翼博士對(duì)本文的修改和指導(dǎo)！

目前對(duì)18650鋰電池橫截面全視野的CT掃描，可以獲得下圖所示的清晰程度：