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产品信息  / News
基于空气耦合超声的锂电池内部成像检测技术

TECLAB     丁侠    shaw*teclab.cn


摘要:锂电池内部缺陷的非接触式无损检测随着新能源行业的蓬勃发展变得愈发重要。本文介绍了空气耦合超声成像检测技术的基本原理并分别检测了苹果手机电池,软包电池,刀片电池以及锂电正负极材料,结果表明了该技术在锂电检测行业的应用前景非常广阔。

关键词:空气耦合超声,锂电池检测,非接触超声检测 析锂

 



背景:锂电池作为一种新型绿色能源因其能量大,寿命长等优点广泛用于电子产品,新能源汽车等各个领域。生活中常见到锂电池在生产和服役过程中发生燃烧或爆炸事故,因此对锂电池的非接触式无损检测显得至关重要。空气耦合超声成像检测技术因无需耦合剂,无需将锂电池浸泡在耦合液中,是一种相对成本低,对人和环境无害的,非接触式且无损针对电池内部的成像检测技术。

 

原理:常温常压下,水的声速和密度分别为1480 m/s和 1x10^3 kg/m^3,空气的声速和密度分别为340 m/s和 1.3 kg/m^3, 钢的声速和密度分别为5900 m/s和7.85x10^3 kg/m^3。利用公式1-2可以得出:从空气中垂直入射钢板时,声强透射率约3.4x10^-5;从水中垂直入射钢板时,声强透射率约1.3x10^-1.对比可知空气耦合法透射率是水浸法的1/10000.


声阻抗计算公式(1):


声强透射率计算公式(2):


由此可见,空气与被测材料之间存在极高的声阻抗差异,且高频声波在空气中传播极短的距离就会被吸收掉,因此空气耦合超声一般采用几十KHz到几百KHz频率的探头一发一收的方式进行检测。


图1. 声波垂直入射锂电池的反射和透射模型


Z1,Z2分别代表空气和锂电池声阻抗,R12为空气到锂电池的反射率,R21为锂电池到空气的发射率。T12为空气到锂电池的声波透射率,T21为锂电池到空气的声波透射率。T121为空气到锂电池再到空气的透射率,T12121为空气到锂电池再到空气再到锂电池最后到空气的透射率。锂电池的密度一般约1.87 x 10^3 kg/m^3,超声波在锂电池中的声速约3000 m/s。

根据公式可以计算得出:     T12=1.9998,   T21=0.00015,    T121=3.151X10^-4,  T12121=9.929X10^-8

也就是说:     当电池中存在气泡或分层缺陷时,空气耦合超声相对于正常区域几乎无法穿透。


图2. 测试采用的AIRSCAN+空气耦合超声成像检测系统


实验一:使用2年后充电容量只剩30%的苹果6手机电池


图3. 使用2年后,充电容量仅剩30%的苹果手机电池成像结果

从成像图可以看出声透射率低的区域(蓝/绿色)占了大部分面积。声透射率高(红)的区域仅剩约30%。


实验二:刀片电池外壳脱粘

图4. 刀片电池空气耦合超声检测

图5. 两块刀片电池空气耦合超声检测结果对比

成像结果表明:声强透射率低的区域分布在电池边缘,该缺陷大概率发生在刀片电池外壳和电池本体之间存在间隙。将电池压置一段时间后重新检测发现缺陷形状位置发生了变化印证了之前的判断。


实验三:软包电池析锂

图6. 软包电池空气耦合超声检测结果

 

快速充电导致锂电池析锂的原因之一,通过对软包电池循环快速充电后进行成像检测可以明显看出析锂的位置和区域。


实验四:锂电池正负极焊接质量检测

图7. 锂电池正负极焊接质量空气耦合超声检测


图7. 锂电池正极铜箔超声焊接(上)负极铝箔(下)超声焊接质量空气耦合超声检测



结论:

空气耦合超声成像技术检测锂电池,成像效果好,成本低廉且无辐射,作为一种非接触式无损无害的检测方法可以广泛用于锂电池行业的质量控制。但锂电池内部缺陷种类繁多诸如:气泡,褶皱,浆料参杂,析锂等,后续需要积累大量的检测经验并加以分析判断缺陷的原因以反馈工艺。