盡管針對(duì)鋰離子電池各類失效分析已有較多報(bào)道，但多數(shù)研究?jī)H從材料層面證實(shí)失效的發(fā)生。事實(shí)上，鋰離子電池實(shí)際使用環(huán)境復(fù)雜度高，失效原因多樣，失效現(xiàn)象與失效原因之間往往存在“一對(duì)多”“多對(duì)一”或“多對(duì)多”的復(fù)雜關(guān)系，一種失效又會(huì)引發(fā)新的失效，形成錯(cuò)綜復(fù)雜的失效衍生鏈條。

因此，如圖1所示，本文總結(jié)了基于“材料-電芯-模組-管理系統(tǒng)”的“多層級(jí)”電池缺陷特征檢測(cè)方法，與基于“內(nèi)生性”失效和“外源性”失效相結(jié)合的“雙視角”電池失效機(jī)理分析技術(shù)，系統(tǒng)分析了鋰離子電池失效衍生鏈條，由淺入深地分析鋰離子電池失效機(jī)理，為全面分析鋰離子電池失效原因提供了新思路。

本文主要綜述了基于“多層級(jí)”和“雙視角”的電池失效檢測(cè)方法及應(yīng)用。文末提出將失效檢測(cè)技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，構(gòu)建快速高通量電池缺陷檢測(cè)新方法，并展望未來(lái)鋰離子電池失效分析技術(shù)的發(fā)展，以期為鋰離子電池失效分析和失效檢測(cè)體系的發(fā)展提供一定參考。

多層級(jí)鋰離子電池缺陷特征檢測(cè)

鋰離子電池材料工藝復(fù)雜、單體特性活躍、模組結(jié)構(gòu)多樣，在生產(chǎn)制造、交通運(yùn)輸、終端使用的各個(gè)環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)過熱、起火、爆燃等安全性失效現(xiàn)象，給人員、設(shè)施、環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的安全威脅。因此，鋰離子電池的失效分析可以從不同尺度的鋰離子電池產(chǎn)品入手，借助多樣的檢測(cè)手段，獲取并分析相關(guān)的電池缺陷特征信息，最終實(shí)現(xiàn)電池產(chǎn)品的失效分析。本文從“材料-電芯-模組-管理系統(tǒng)”的“多層級(jí)”視角對(duì)鋰離子電池失效形式和各層級(jí)缺陷特征進(jìn)行介紹，總結(jié)了不同層級(jí)失效檢測(cè)方法。

1.1 基于電池材料層級(jí)的失效檢測(cè)

從材料層級(jí)來(lái)看，如圖2所示，鋰離子電池主要由集流體、正負(fù)極材料、隔膜、電解液四個(gè)部分構(gòu)成，其中隔膜穿刺、 電解液分解和正負(fù)極材料失活是造成材料層級(jí)失效的主要形式。當(dāng)電池發(fā)生材料層級(jí)失效時(shí)，通過外觀檢測(cè)方法往往無(wú)法發(fā)現(xiàn)電池失效來(lái)源。在電池材料層級(jí)檢測(cè)方法中， 電子顯微鏡由于其高分辨特性可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)極材料、集流體和隔膜的結(jié)構(gòu)失效的相關(guān)檢測(cè)，如正負(fù)極材料顆粒破碎、晶體結(jié)構(gòu)畸變、微裂紋等失效形式和集流體腐蝕，隔膜老化塌縮、破損、熔化等失效形式。

Zhu等采用掃描電子顯微鏡（SEM）探測(cè)了疲勞正極的微觀結(jié)構(gòu)，觀察到了循環(huán)后正極二次顆粒內(nèi)部的微裂紋，且正極顆粒由于電化學(xué)疲勞，出現(xiàn)了顆粒粉碎現(xiàn)象。同時(shí)

，拉曼光譜等在線光譜學(xué)檢測(cè)方法利用材料與光的相互作用，可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)表征以及鋰沉積行為的觀測(cè)。Liu等對(duì)親鋰復(fù)合骨架改性鋰金屬負(fù)極進(jìn)行研究，利用拉曼光譜證實(shí)了親鋰吡啶N、吡咯N、 CuxN位點(diǎn)的協(xié)同作用引導(dǎo)了鋰均勻沉積，抑制了鋰枝晶形，將鋰對(duì)稱電池壽命提高至2000h。

此外，X射線檢測(cè)相關(guān)技術(shù)也常被用于電池材料層級(jí)的失效檢測(cè)。其中X射線衍射技術(shù)（XRD）是觀察電池活性材料循環(huán)前后結(jié)構(gòu)變化以及相變的有效方法。Hwang等利用原位XRD跟蹤電極材料在電化學(xué)過程中的相變行為，證實(shí)了高鎳正極材料（NCM811）在高荷電狀態(tài)（SOC）下相結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變的失效機(jī)制。

氣相色譜法在電解液失效分析中得到了廣泛應(yīng)用。 Mnnighoff等研究了電解質(zhì)在不同溫度下對(duì)電池老化的影響，聯(lián)用氣相色譜-質(zhì)譜識(shí)別了老化電池電解液中的17種不同有機(jī)產(chǎn)物，并提出了相關(guān)的形成機(jī)制。事實(shí)上，為了更深入和全面了解電池材料層級(jí)失效機(jī)制，目前研究者通常將電子顯微鏡、在線光譜學(xué)和X射線檢測(cè)等結(jié)果與不同失效行為進(jìn)行關(guān)聯(lián)，采集材料相結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)狀態(tài)、顆粒形貌和尺寸等多維度信息，從而實(shí)現(xiàn)鋰離子電池材料層級(jí)失效檢測(cè)。

1.2 基于電芯層級(jí)的缺陷特征研究

從電芯層級(jí)來(lái)看，鋰離子電池還涉及到電池殼和極耳兩部分。其中，因電池外殼破壞造成的電解液流失和因極耳損壞造成的電池短路或斷路是電芯層級(jí)的主要失效方式。一 般而言，電芯層級(jí)失效可采用立體視覺檢測(cè)、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和加速量熱法（ARC）等技術(shù)手段進(jìn)行識(shí)別分析，繼而獲得電芯的外部缺陷、內(nèi)部制程缺陷以及內(nèi)部熱失控缺陷等特征信息。

在電芯外觀檢測(cè)方面，機(jī)器視覺技術(shù)作為高精度自動(dòng)化的圖像識(shí)別技術(shù)，已在自動(dòng)化外觀檢測(cè)領(lǐng)域得到成熟應(yīng)用。例如，林木泉等從紐扣電池的不同缺陷特征入手，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)了符合工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的電池失效外觀檢測(cè)。與此同時(shí)，CT和ARC等技術(shù)是電芯制程失效和內(nèi)部熱失控失效檢測(cè)的有效手段。

Zhu等利用X射線CT研究了機(jī)械濫用條件下隔膜破壞的失效行為。該研究表明，不規(guī)則的應(yīng)變局部化、不同層的力學(xué)性能不匹配和外部壓頭幾何特征導(dǎo)致了隔膜的不同位置撕，進(jìn)而引發(fā)電池短路失效Son使用ARC技術(shù)評(píng)估了軟包鋰離子電池的熱失控行為。研究者發(fā)現(xiàn)，不同容量的軟包電芯在ARC曲線中具有不同的自加熱速率，對(duì)應(yīng)不同熱失控階段行為，且在斜坡測(cè)試中伴隨著突然的開路電壓下降和劇烈放熱反應(yīng)，直觀反映了電芯內(nèi)部熱失控行為。因此，綜合運(yùn)用立體視覺、CTARC等先進(jìn)技術(shù)手段，能夠有效識(shí)別鋰離子電池電芯的外觀缺陷、制程失效及熱失控等失效行為，從而精準(zhǔn)獲取電芯失效特征，為鋰離子電池失效診斷提供有效信息。

1.3 基于電池組及電池管理系統(tǒng)層級(jí)的失效檢測(cè)

從電池組及電池管理系統(tǒng)層級(jí)出發(fā)，電池失效方式主要體現(xiàn)在：（1）由于電芯一致性差，單個(gè)電池性能快速衰退造成電池模組失效；（2）在充放電濫用情況下，電池模組因過充、 過放導(dǎo)致其鼓包、脹氣、漏液，電壓和電流異常，以及過溫失控等；（3）在極端天氣或撞擊針刺等極端情況下，由于物理破壞造成的電池組失效。

在鋰離子電池的模組及電池管理系統(tǒng)層級(jí)失效檢測(cè)方面，目前主流策略是采用電學(xué)傳感器、力學(xué)傳感器、溫度傳感器、氣體傳感器等傳感元件，實(shí)時(shí)采集電池模組的電學(xué)信號(hào)、力學(xué)信號(hào)、紅外熱成像信號(hào)、氣體信息等物理化學(xué)信息，通過構(gòu)建多信息融合的電池管理系統(tǒng)，對(duì)電池模組進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和診斷，動(dòng)態(tài)分析電池失效機(jī)制。

例如，Yang等開發(fā)了在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)診斷技術(shù)，通過采集鋰離子電池的實(shí)時(shí)電壓、電流和溫度，結(jié)合無(wú)跡Kalman濾波網(wǎng)絡(luò)建立的電池狀態(tài)診斷模型來(lái)估算電池的SOC，動(dòng)態(tài)追蹤電池健康狀況，實(shí)現(xiàn)了最大誤差3.4％的電池SOC估算。Menale等利用紅外熱成像表征了不同容量的磷酸鐵鋰正極電池表面的溫度分布，并發(fā)現(xiàn)電池即使在3C工況下進(jìn)行充放電測(cè)試，最高溫度也不超過安全溫度，且溫度分布均勻，該研究為電池模組的溫度監(jiān)測(cè)和管控提供了解決策略，對(duì)最終設(shè)計(jì)合適的熱管理系統(tǒng)具有重要意義。

此外，Mateev等提出了一種采用高靈敏陣列氣體傳感器構(gòu)建的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，利用數(shù)值重建方法實(shí)現(xiàn)了電池組內(nèi)氣體排放源的精確定位，該模型基于快速插值技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理，為鋰離子電池產(chǎn)氣的快速檢測(cè)提供新思路和新方法?？傮w而言，當(dāng)前集成在線檢測(cè)、紅外熱成像與氣體傳感器技術(shù)的電池管理系統(tǒng)融合了多種信號(hào)源，為鋰離子電池模組提供了系統(tǒng)而精確的宏觀分析手段，顯著增強(qiáng)了電池狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷與安全預(yù)警能力。

雙視角下鋰離子電池失效機(jī)理及失效檢測(cè)

通過“材料-電芯-模組-管理系統(tǒng)”的“多層級(jí)”失效分析可以全面系統(tǒng)分析鋰離子電池缺陷特征，本文在“多層級(jí)”分析基礎(chǔ)上，從“內(nèi)生性”失效和“外源性”失效的雙視角對(duì)鋰離子電池失效機(jī)理及失效檢測(cè)方法進(jìn)行了分析和探討，如圖3所示。

“內(nèi)生性”失效是指鋰離子電池自生產(chǎn)完成后存在的固有缺陷引起的電池失效，主要包括生產(chǎn)過程中的電芯制程失效和工作狀態(tài)下暴露出的電池材料失效兩個(gè)方面。 “外源性”失效指外部濫用條件下引起的電池失效，主要包括外部機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用等引起的外殼缺陷、過充、過放、過載、外部短路、外部高溫等失效形式?；凇半p視角”失效檢測(cè)技術(shù)，根據(jù)檢測(cè)深度、檢測(cè)精度、樣品是否破壞等特點(diǎn)，可將檢測(cè)方法分為“外源性”檢測(cè)方法、“內(nèi)生性”無(wú)損檢測(cè)方法和“內(nèi)生性”有損檢測(cè)方法，下文將舉例說明。

2.1 “外源性”失效檢測(cè)

“外源性”失效的檢測(cè)多依托于電池管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該方法信息獲取方便，響應(yīng)速度快，可用于鋰離子電池失效初步判斷與識(shí)別。如表1所示，本文列舉了立體視覺檢測(cè)、電學(xué)特性在線檢測(cè)和紅外溫度檢測(cè)等三種常用檢測(cè)技術(shù)，對(duì)比分析了它們?cè)凇巴庠葱浴笔z測(cè)中的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍。

電池外觀破壞以及內(nèi)部產(chǎn)氣造成外殼鼓包變形等失效特性可采用外觀檢測(cè)技術(shù)直接獲取。如圖4a所示，鋰離子電池外觀檢測(cè)可以獲得電池的變形、破裂、劃痕等失效信息。 然而，傳統(tǒng)圖像識(shí)別檢測(cè)技術(shù)通常采用人工方式進(jìn)行識(shí)別， 一方面受限于圖像采集速率，另一方面人工檢測(cè)準(zhǔn)確率較低，故難以適用于快速高通量的電池外觀缺陷檢測(cè)。同時(shí)， 隨著視覺技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺在電池外觀檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟。如圖4b所示，有學(xué)者基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的方法實(shí)現(xiàn)了電池外觀缺陷的識(shí)別與分類。

近年來(lái)，立體視覺系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成像速度快、成像精度高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化圖像識(shí)別和三維目標(biāo)定位分，有望成為一種新興的電池自動(dòng)化外觀檢測(cè)技術(shù)。例如，Meng等設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)被動(dòng)混合式雙目智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過采集電池表面的反射圖像，實(shí)現(xiàn)雙目立體匹配，探索深度計(jì)算技術(shù)，重建電池表面三維信息，為鋰離子電池快速高通量的外觀檢測(cè)提供重要參考。

“外源性”檢測(cè)中集成在電池管理系統(tǒng)中的檢測(cè)方法主要有電學(xué)特性在線檢測(cè)、紅外熱成像和氣體傳感器?！巴庠葱浴睓z測(cè)中的在線檢測(cè)主要包括電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)與內(nèi)阻檢測(cè)。例如，電壓檢測(cè)技術(shù)通過監(jiān)測(cè)過電壓與欠電壓信號(hào)，能夠識(shí)別電池在充放電過程中的過充與過放狀態(tài)，為“外源性”濫用操作及電池老化等提供預(yù)警，且可為短路和熱失控等嚴(yán)重故障提供相關(guān)判斷依據(jù)。與此同時(shí)，電流檢測(cè)技術(shù)可以高精度地采集電池電流數(shù)據(jù)，防止過載，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部短路或其他電流異常情況，從而預(yù)防電池失效。

此外，內(nèi)阻是評(píng)估電池性能和質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。電池內(nèi)阻檢測(cè)不僅能夠反映電池的健康狀況與劣化程度，還能提升電池的可靠性和安全性，優(yōu)化電池管理，延長(zhǎng)電池壽命。目前， 在線監(jiān)測(cè)電池健康狀態(tài)的方法已得到廣泛應(yīng)用。如Kiran等開發(fā)了計(jì)算效率較高、離線耦合的電池SOC-SOH估算器，以部分電性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，定期更新模型參數(shù)，改進(jìn)電池單元的SOC估算，與在線估算結(jié)果間的誤差在5％以內(nèi)。Lin等針對(duì)圓柱形鋰離子電池設(shè)計(jì)了一種帶遺忘因子的最小二乘算法用于鋰離子電池核心溫度估計(jì)，且能跟蹤時(shí)變內(nèi)阻，可用于電池的SOH檢測(cè)。Zhao等提出了一種利用嵌入式變壓器估算鋰離子電池SOC和SOH的電池模型。該模型利用校正后的開路電壓，將Arrhenius方程和SOH估算相結(jié)合，使得電池模型適合溫度變化和電池老化狀態(tài)，在25℃恒流條件下實(shí)現(xiàn)了小于0.8％的SOH均方根誤差，顯著提高了電池狀態(tài)估算的準(zhǔn)確度。

紅外熱成像技術(shù)通過捕捉物體表面的紅外輻射能量分布，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)溫度信息（如實(shí)時(shí)溫度、溫場(chǎng)分布等）的快速無(wú)損檢測(cè)分析，并為電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)，大幅提高電池的安全性和可靠性。尤其是，紅外熱成像技術(shù)對(duì)電池在快速充放電和長(zhǎng)期循環(huán)條件下失溫、過熱等安全問題監(jiān)測(cè)和識(shí)別具有重要作用。例如，Giammichele等對(duì)比研究了紅外熱成像與熱電偶傳感在電池?zé)峁β使浪惴矫娴牟町愋裕l(fā)現(xiàn)在電池放電過程中，盡管兩種方法估算結(jié)果呈現(xiàn)相同的溫度變化趨勢(shì)，但與熱電偶數(shù)據(jù)相比，熱成像數(shù)據(jù)的最大偏差小于1℃ ，計(jì)算所得熱功率誤差小于1％，證明紅外熱成像在電池?zé)嵝袨樵u(píng)估中具有更高的可靠性。此外，Wang等利用紅外熱成像技術(shù)獲得了電池在不同放電倍率和放電深度下的溫度分布數(shù)據(jù)（圖5）。

在低放電倍率下，電池反應(yīng)熱占比大，輸出電流小，電池中央優(yōu)先出現(xiàn)高溫區(qū)；而在高放電倍率下，電池由于內(nèi)部極化增大和輸出電流較大，上半部分優(yōu)先形成高溫區(qū)域。該結(jié)果展示了電池在間和時(shí)間上的熱量產(chǎn)生和分布，揭示了高倍率和低倍率放電時(shí)不同的熱特性，為優(yōu)化電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提供了重要參考依據(jù)。此外，Yang等建立了圓柱鋰離子電池的三維多分區(qū)熱模型，并將模型數(shù)據(jù)與紅外熱成像儀使用數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)多分區(qū)表面溫度與相同條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大誤差小于3.5％，證明了該模型的可靠性，為高安全性電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。

此外，氣體傳感器能夠快速且靈敏地檢測(cè)電池產(chǎn)氣情況及氣體濃度變化等特性信息。目前，氣體傳感器憑借其快速響應(yīng)、無(wú)損檢測(cè)和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)時(shí)在線評(píng)估電池安全狀態(tài)方面扮演重要角色，是鋰離子電池快速高通量失效檢測(cè)的重要工具。一般而言，用于電池產(chǎn)氣監(jiān)測(cè)的氣體傳感器主要分為兩大類：半導(dǎo)體傳感器和非色散紅外傳感器。半導(dǎo)體傳感器的氣敏機(jī)制是基于半導(dǎo)體表面的催化氧化還原反應(yīng)，而非色散紅外傳感器則通過發(fā)射紅外線探測(cè)CO2的吸收峰強(qiáng)度來(lái)確定氣體濃度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用氣體傳感器對(duì)氣體濃度的敏感性，已成功將氣體傳感器應(yīng)用于電池的產(chǎn)氣失效分析和檢測(cè)技術(shù)。如圖6a所示，Shao等成功制備了一種含敏化層Ag）、氣敏層（SnO2）和供電子層g-C3N4）的夾層結(jié)構(gòu)H2傳感器，由于Ag納米顆粒的催化效應(yīng)及三個(gè)功能層的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了較短的檢測(cè)響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間。又如，Yan根據(jù)氫氣和電解液蒸汽的介電性質(zhì)不同，在SnO2表面的吸附情況不同，采集了單個(gè)SnO2傳感器的直流電流信號(hào)和交流阻抗相關(guān)信號(hào)，通過主成分分析實(shí)現(xiàn)了氫氣與電解液蒸汽的精準(zhǔn)識(shí)別，有助于鋰離子電池的工作狀態(tài)檢測(cè)，為電池產(chǎn)氣的多氣體智能識(shí)別鋪平道路。

此外，如圖6b所示，Lyu等利用非色散紅外氣體傳感器實(shí)現(xiàn)了電池?zé)崾Э剡^程的產(chǎn)氣監(jiān)測(cè)，證實(shí)了當(dāng)電壓升高時(shí)，由于電池材料組分不穩(wěn)定，可能發(fā)生與電位有關(guān)的副反應(yīng)，CO2析出速率加快，CO2濃度升高，為揭示電池產(chǎn)氣失效機(jī)理提供了重要依據(jù)。

2.2 “內(nèi)生性”失效的無(wú)損檢測(cè)

近年來(lái)，鋰離子電池的“內(nèi)生性”失效無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到了廣泛研究和應(yīng)用，主要包括超聲測(cè)、X射線檢測(cè)等。這些技術(shù)能夠在不破壞電池結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)電池內(nèi)部情況進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)和分析，從而評(píng)估電池的SOH和預(yù)測(cè)失效風(fēng)險(xiǎn)。不同檢測(cè)方法在不同失效檢測(cè)范圍和精度要求下各具優(yōu)勢(shì)，如表2所示。

CT技術(shù)利用了Ｘ射線照射不同材料后強(qiáng)度衰減信息成像，是一種直觀分析電芯制程失效的有效手段。CT技術(shù)根據(jù)檢測(cè)精度由高到低可依次分為納米CT、微米CT和工業(yè)CT。工業(yè)CT由于對(duì)鋰離子電池檢測(cè)不受外殼遮擋，故可直觀地獲得電池某一斷面上的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。劉娟利用工業(yè)CT掃描技術(shù)觀察到扣式鋰離子電池中極片接觸不良的現(xiàn)象。如圖7a所示，負(fù)極片明顯隆起，導(dǎo)致其與負(fù)極蓋之間形成大量空隙，從而引發(fā)負(fù)極蓋與負(fù)極片之間的虛接觸。這 一現(xiàn)象不僅增加了電池的內(nèi)阻，還有可能導(dǎo)致斷路等故障， 顯著影響電池的性能

此外，CT技術(shù)不僅在電池缺陷檢測(cè)中有重要應(yīng)用，還對(duì)電池性能衰減和內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全隱患分析具有重要作用。其中，微米CT技術(shù)具有更高的檢測(cè)精度， 能夠?qū)﹄姵貎?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量尺寸分析。如Blazek等利用微米CT從電池卷繞式結(jié)構(gòu)的角度計(jì)算了極片的軸向厚度，觀察到老化電池截面頂部和底部多層卷繞電極厚度增加，并從卷繞電極的機(jī)械約束角度解釋了該處電極膨脹的原因。Bond等采用高分辨原位微米CT掃描技術(shù)對(duì)老化后的多晶三元／石墨軟包電池進(jìn)行了成像分析。圖7b展示了在0.2C條件下循環(huán)超過兩年的電池的微米CT圖像，圖中正極顆粒中清晰可見的微裂紋證實(shí)了該技術(shù)在電極材料形態(tài)變化研究中的潛在應(yīng)用前景。

與此同時(shí)，納米CT作為一種能夠在納米尺度內(nèi)分辨物體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的先進(jìn)三維成像技術(shù)，可以對(duì)活性材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，不僅適合材料膨脹觀測(cè)，也可以從模型的二維切面上對(duì)顆粒裂紋進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究。Ebner等利用納米CT技術(shù)對(duì)SnO電極復(fù)雜的充電反應(yīng)過程進(jìn)行了原位檢測(cè)。如圖7c所示，研究者發(fā)現(xiàn)SnO和Sn顆粒在充放電反應(yīng)過程中顆粒體積發(fā)生了明顯變化，且都伴隨著裂紋的形成與擴(kuò)展，為鋰離子電池電極材料納米層級(jí)的無(wú)損檢測(cè)分析提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

超聲波技術(shù)利用高頻聲波在材料中的傳播與反射特性， 可以獲得聲阻抗、振幅、飛行時(shí)間（TOF）等物理信息，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池故障診斷和狀態(tài)檢測(cè)。近年來(lái)，隨著超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，超聲技術(shù)在鋰離子電池失效檢測(cè)分析中的應(yīng)用日益廣泛。超聲波成像可以直觀地觀察到失效電池的內(nèi)部缺陷、產(chǎn)氣以及電解液潤(rùn)濕情況

例如，Yi等從軟包電池的超聲掃描結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在前側(cè)的超聲波透射圖像（圖8a）中存在異常圓形區(qū)域，區(qū)域中心信號(hào)強(qiáng)度較高，表明電池包裝過程中異物粘附引起氣泡產(chǎn)生。同時(shí)，掃描圖像底部的異常圓形區(qū)域表明該區(qū)域存在鋁塑膜褶皺或壓痕。Huo使用超聲成像技術(shù)對(duì)固態(tài)電池界面穩(wěn)定性進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)， 結(jié)果表明其可以區(qū)分接觸減少或鈍化層生長(zhǎng)引起的界面電阻增大，并可檢測(cè)可燃?xì)怏w釋放等。Deng利用超聲成像技術(shù)揭示了軟包電池的濕潤(rùn)過程，圖8b清楚展示了不同電解液添加量與不同放置時(shí)長(zhǎng)下電池電解液的潤(rùn)濕情況，圖中藍(lán)色區(qū)域表示電解液不足。該研究結(jié)果表明，適當(dāng)增加電解液用量和潤(rùn)濕時(shí)長(zhǎng)均有利于提高電池潤(rùn)濕質(zhì)量，有利于電池更好地發(fā)揮性能

此外，超聲波檢測(cè)技術(shù)在電池狀態(tài)估計(jì)領(lǐng)域也得到了實(shí)踐應(yīng)用。Galiounas等采用脈沖回波法對(duì)SOC的誤差進(jìn)行了系統(tǒng)性評(píng)估，結(jié)果表明其平均誤差小于1％。同時(shí)，他們構(gòu)建了一個(gè)涵蓋不同SOC的超聲波數(shù)據(jù)庫(kù)， 該數(shù)據(jù)庫(kù)可直接用于機(jī)器學(xué)習(xí)模型。與此同時(shí)，Ladpli等通過在鋰離子軟包電池上利用壓電圓盤傳感器進(jìn)行超聲檢測(cè)與分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)波信號(hào)特征（TOF和信號(hào)幅度）的變化與電池的SOC和SOH密切相關(guān)，建立了基于導(dǎo)波的檢測(cè)技術(shù)框架，展示了超聲波檢測(cè)技術(shù)在電池狀態(tài)估計(jì)中的應(yīng)用潛力

2.3 “內(nèi)生性”失效的有損檢測(cè)

針對(duì)鋰離子電池“內(nèi)生性”微觀材料結(jié)構(gòu)失效的分析，通常將循環(huán)后的電池或工作異常的電池進(jìn)行拆解，再采用SEM、XRD和X射線光電子能譜（XPS）等手段進(jìn)行表征。 SEM主要用于獲取電極材料的表面形貌信息，Bae等利用SEM比較了TiO2包覆SiO2負(fù)極和SiO2負(fù)極的截面形貌，未包覆SiO2負(fù)極的體積變化為293.5％，而包覆TiO2SiO2負(fù)極體積變化減小到140.7％，表明TiO2包覆SiO2的改性方法使負(fù)極體積膨脹得以改善。此外，SEM還可用于分析集流體腐蝕、隔膜老化、塌縮、破損和熔化等失效形式，從而為失效電池的有損檢測(cè)提供了重要參考。為深入了解電池活性材料在循環(huán)前后的結(jié)構(gòu)變化及相轉(zhuǎn)變，XRD得到了廣泛應(yīng)用。Zhang等通過XRD研究了完全放電狀態(tài)下LCO的不可逆結(jié)構(gòu)坍塌，并采用原位XRD探討了雙添加劑改性方法下形成的界面膜（CEI膜）對(duì)充放電過程中不可逆相變的抑制效果。與此同時(shí)，XPS則提供了材料表面的元素組成和化學(xué)狀態(tài)信息，適用于電極材料的界面失效分析。 Zheng等通過XPS研究了新鮮石墨電極與循環(huán)后電極的表面成分，證實(shí)了石墨負(fù)極表面形成了由Li2CO3和LiF組成的界面膜。

文獻(xiàn)參考：李龍飛,鄭永泉,萬(wàn)旺軍,徐至宏,汪清利,王琛,賀馨平,夏新輝,夏陽(yáng).鋰離子電池缺陷檢測(cè)技術(shù)及失效機(jī)理分析研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2025,39(11):7-15

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