计算机技术在锂离子电池检测中的应用研究进展

郝 浩 淼

（清华大学，北京 100084）

我国可持续发展过程中最值得注意的问题就是能源和环境保护问题。就目前来看，全球过度的开采、排放污染、消耗造成了严重的环境污染问题，经济发展越迅速的行业带来的环境污染越严重。近年来交通运输行业经济发展非常迅速，随之而来的是化石能源短缺和尾气排放过量问题，而电动汽车的出现使交通运输发展迎来了第二春，电动汽车既能满足人们的出行需求，又能缓解化石能源短缺和尾气排放等问题。电池是新时代电子发展的新动力，可以保障电子设备良好地工作，锂离子作为一种能量高、寿命长的清洁能源，在交通运输、手机、电脑等方面都发挥了重要作用。锂离子电池研究技术发展固然迅速，但其检测技术的发展却落后于研究技术，而人们发现计算机技术可以更好地帮助检测电池性能。

目前锂离子电池检测技术已经形成了一个相对完整的体系，包括电池容量、跌落、挤压、高强度工作、机械冲击等性能测试，基本可以对电池的性能做出全面的评价。电池技术的发展，使人们不光关注电池使用周期，也更加注重电池的性能，这就对电池检测提出更高要求。本文对锂离子电池检测标准做出详细介绍，深入研究计算机技术在锂离子电池检测的应用以及计算机断层扫描技术在检测锂离子电池性能问题中的工作原理。

1 锂离子电池检测重点标准

电池使用的安全性是非常重要的，电池过充会导致电池内部发生不可逆转的化学反应，电能转换成热能，进而使电池内部温度升高，不仅会破坏电池内部构造，还会引发一系列化学反应，最后可能产生电池起火，甚至爆炸的问题，电池的检测就能很好地杜绝一些安全隐患。衡量电池品质好坏的三个重要参数有开路电压、负载电压和短路电流，根据国家标准，电池制造出厂时需要对这三个参数进行检测。目前，应用最为广泛的电池检测标准是国际电工委员会的锂离子电池检测标准，此外，还有许多国家及组织根据各自不同的需求制定了相关的锂离子电池安全标准，虽然测试条件有所不同，但是测试的项目基本相同，如美国保险商实验室、电气及电子工程师学会和日本国家标准局制定的锂离子电池检测安全标准。

UL1642、GB8897.4等标准主要针对锂离子电池在运输中受到外部影响以及机械振动进行模拟实验，模拟测试项目包括电池使用高度测试、适应温度测试、振动、过度充电以及放电测试、撞击挤压测试、短路等方面，实验过程中要求电池不能出现以下情况：漏液、破裂、爆炸、着火、质量损坏等。上述测验的核心标准是锂离子电池使用安全性，对电池安全风险的判定依据难以量化，只能通过被检测电池的爆炸、泄漏或变形等来筛选有安全隐患的电池，并不能将危险电池标准量化，不利于检测出有潜在危险的电池。

2 锂离子电池检测方法发展进程

电池在出厂投入市场前都需要经过检测，早期电池都是通过手工检测法进行检测，目前已发展为半自动检测法。半自动检测法由一台计算机、参考电压器、比较器、蜂鸣器等检测仪器完成，测试原理主要是：给电池慢慢增大电流的同时，通过比较器将测得的电池电压与参考电压进行比较，如果超过参考电压，计算机会做出反应，则蜂鸣器就会发出声音，从而判别电池的好坏。这种方法虽然比传统方法效率高了很多，但是仍需要人工参与将检测表绑在电池正负两极，而且工人工作时间较长会感到疲劳，可能会造成误检。

科学家又根据半自动检测法的缺点改进研制出基于单片机检测锂离子电池的系统，其工作原理是：将检测到电池电压以及电流模拟量通过转换器转换成数字量，将数字量与标准参数进行对比，以此判断电池参数是否符合规定要求。利用计算机技术检测锂离子电池可以实现自动检测参数，提高检测效率。单片机系统可以实现对电池参数的半自动检测，但是其速度还不能够与现代电池高速生产线相匹配，只能将测得的几个安全参数显示出，而且也无法用图表直观的方式显示，更不可能综合分析电池参数。随着全球经济的快速发展，对电池的安全性检测也提出了更高的要求，各国科学家们发现计算机技术可以很好地解决当前检测过程中所遇到的问题，可以采用更高超的计算机技术检测锂离子电池相关参数。

3 锂离子电池检测中计算机技术的实际应用

随着计算机技术的高速发展，对于微米级的检测方法研究也有了突破性的进展，在医学领域做出巨大贡献的计算机断层扫描技术（CT）正逐步地应用到地质勘探和材料学领域。计算机断层扫描技术原理是扫描需检测的样品内部构造，根据构造差异形成不同的断层图像，从而帮助人们了解样品内部的微观构造。将计算机断层扫描技术应用到电池检测中，不仅能够对锂离子电池寿命和安全问题进行测试，还可以分析出电池内部结构特征。

在电池老化程度方面，通过扫描分析出不同使用时间的电池内部结构的演变可以发现电极形变程度与电池使用寿命成正比，即电池使用寿命越长电极形变程度越大，当电极形变达到一定限度时，电池的危险系数上升，所以可以通过观察扫描出的电极变形程度，分析出电池的老化程度以及安全隐患问题。

在电池安全隐患方面，计算机断层扫描技术可以扫描出电池电极断裂、褶皱、正负极对齐度差等相关问题。计算机断层技术具有较高的放大倍率功能，可以识别出电池内部的结构缺陷，电极出现褶皱会影响电池的容量与内阻，进而对电池的产热造成影响，而计算机可以轻而易举地将电极中的褶皱扫描出来，并可以以CT 图像的方式呈现出。电池制造工艺的缺陷会造成电池内部存在异物，电池内部存在异物可能会造成电池内部区域温度过高，埋下安全隐患的种子。由于计算机扫描技术对于高密度材料敏感度十分高，所以对电池中金属异物的检测十分有帮助。另外，电池极片存在对齐度差也会产生安全隐患，对齐度差可能导致电池正负极不对称，这主要是由电池制造工艺水平较低造成的，不仅对电池储电量有影响，还会增加电池发生短路的风险。计算机断层扫描技术也可以将电池内部极片对齐度扫描并呈现出，避免后续使用中电池内部发生短路，大量放热致使电池内部温度过高引发爆炸。

在电池安全测试方面，通过计算机扫描图像可以发现，电池内部呈现出整齐的正负极卷绕结构，将电池放电至150%时，电池的整体结构基本完整，但是出现细微的毛刺，此外电极在放电过程中有增厚的现象。在对电池进行强烈挤压或者针刺后，可以明显地观察到电池内部受损严重，穿刺孔清晰可见，甚至电池内部会出现燃烧现象，外界作用力改变了电池内部整体结构。综上所述，计算机断层扫描技术对电池安全性分析及综合评价有着举足轻重的作用。

随着电子产品种类越来越多，电池检测工序也越来越繁琐，传统的检测方法依然不能满足需求，因此，必须采用更高的技术进行检测。计算机断层扫描技术可以在不破坏电池包装的基础上，真实地还原电池内部构造情况，并且能够以图像的形式将其呈现。利用CT 技术可以有效地分析出电池内部组装情况、电极对齐度、安全隐患、老化程度等问题，并为后续锂离子电池制造工艺的创新提供指导性的价值，同时也促进了锂离子电池检测技术的发展。

综上所述，社会上电池爆炸的新闻层出不穷，电池在被滥用的情况下会损坏甚至燃烧爆炸，危及到人们生命安全，锂离子电池的安全性能已经成为一个重要指标。电池本身就会携带一些隐患问题，不同的制造工艺、使用环境、使用方法等都会影响电池的安全性能，而有效的电池检测方法可以帮助改善很多锂离子电池存在的安全问题。研究发现，计算机技术可以应用在电池检测领域，为电池生产、检测、维护提供技术帮助。计算机断层扫描技术可以准确地扫描出电池内部的构造，识别缺陷，锂离子电池制造工艺结合计算机技术，能够使我们更深入地掌握电池内部情况，防止在使用过程中出现安全问题。