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为什么锂离子电池测试,说起来容易测起来难?

2017-06-14 Bill Schweber 阅读:
即使是在实验室的设置环境下,测试和评估电池内部状态和结构的挑战也极其艰巨;但是,在新的技术方案加持下,将有机会克服种种障碍。

现在,深夜谈话性节目主持人针对三星(Samsung)智能型手机Galaxy Note 7电池燃爆意外的种种关注、评论甚至是取笑,都已经从观众的意识中消失了;在此事过境迁后,如今可能更值得回顾这一过程,看看我们究竟掌握了什么信息、遗漏了什么或者还有哪些仍不明朗之处。VHVednc

当然,这次的电池事件是一个重要的营销和技术问题,因为这些电池问题导致了大规模的手机召回以及产品全面退出市场。技术上,导致电池发生问题的根本原因有二:电池组周围的间隙不足,使其无可避免地发生了过热膨胀现象;以及电池内的微小杂质刺穿了电池的隔离层。VHVednc

一般来说,这些与电池测试有关的问题是相当复杂的,因此,更广泛的关注在于组件的质量保证测试(确保不至于破坏电池)。当时,业界出现了许多文章分别从不同的角度观察这件事。例如,《华尔街日报》(The Wall Street Journal)发表的「为何三星电池问题解决方案评分只有C?」(Why Samsung’s battery fix gets a grade C, for now)一文,记录并随时更新三星在测试过程中发生的事件与具体情形。VHVednc

表1提供三星总结建立可接受的信心水平所需达到的多方面测试项目。(这份图表数据是由三星提供的,而其中令人印象深刻之处在于显示有成千上万支手机与电池正进行测试中。设置如此规模的测试环境,必定是每个测试工程师的梦想同时也是与梦魇啊!)VHVednc

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(来源:Samsung、The Wall Street Journal)VHVednc

另一则文章来自《医疗设计简报》(Medical Design Briefs)——「确保质量:降低锂离子电池组的风险」(Quality Assurance: Risk Mitigation for Lithium-Ion Battery Packs),它并不仅限于三星的手机电池意外,而是着眼于整个锂离子电池技术,探讨一部份测试流程以及电池供货商在测试过程中应遵守的标准。文中还解释测试结果如何用于作为质量保证反馈回路的一部份,以了解与改善产品与过程。VHVednc

这一切都很美好也相当重要。但是,电池的基本问题是:只能透过终端电压和电流数据以及温度和实体尺寸,非破坏性地将其视为「黑盒子」般进行检测。如果还想了解更多,就必须进行深入的拆解分析。此外,虽然诸如穿刺等「具破坏性」的步骤可能有利于增进对于某些故障模式的评估,但无法观察到最令人感兴趣的热失控(thermal runway)模式。VHVednc

但在「黑盒子」研究方面也很有前景。英国伦敦大学学院(University College London;UCL)的一支研究团队首次使用复杂的3D成像设置,能为锂离子电池进行内部计算机断层扫描(CAT),让研究人员得以实时追踪并观察电池爆炸时内外发生的情况,如图1。他们究竟如何以及执行了哪些步骤?又发现了什么?才能成就这样的研究成果?而不只是简单地套用现有的CAT扫描技术?从图中的同步加速器以及有趣的测试治具,能看出其中端倪吗?VHVednc

研究人员将两种不同类型的锂离子电池暴露于高温中,结合X光射线和热成像技术,记录电池的内部结构和外部温度变化,甚至捕捉到电池过热起火的热失控瞬间。结果显示,电池内部的支持结构在热失控爆发的瞬间,铜材料融化导致温度升高至摄氏1,000度,热量从内部传递到外部直接导致热失控。相反地,没有内部支持结构的电池在爆炸瞬间导致整个电池外壳与内部分离,在热失控之前,紧密连接的电池核心也崩溃了,增加了内部短路和损毁附近物体的风险。VHVednc

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图1:(a)切割附加在旋转台上的电池抑制设计,用于实时X光CAT扫描;(b)设备热失控实验的布置;(c)以隔离的XY切片透过3D重建2.6-Ah电池(单元1)的XY、YZ和XZ平面之切片;(d) 以隔离的XY切片透过3D重建2.2-Ah电池(单元2)的XY、YZ和XZ平面之切片。 (来源:University College London、Nature)VHVednc

相关技术细节已发表于《自然》(Nature)期刊的「锂离子电池热失控期间的高速断层扫描」(In-operando high-speed tomography of lithium-ion batteries during thermal runaway)一文。理解锂离子电池爆炸原因及其潜在危险连锁反应,对于加强安全使用和设计流程非常重要。该校研究团队在深入探讨「电池安全」后还发表了「实时追踪锂离子电池爆炸内幕」(Tracking exploding Lithium-ion batteries in real-time)等引人注目的文章。VHVednc

在《NASA技术简报》(NASA Tech Briefs)期刊的「3D成像实时暴露电池退化」(3D Imaging Reveals Battery Degradation in Real Time)一文中,美国太空总署(NASA)的首席研究员也接受专访,解释目前在电池相关研究所遇到的问题以及如何透过此测试设置克服挑战。这些文章中所讨论的各种电池攸关议题在一般科学论文中一向较少着墨,但却是测试工程师感兴趣之处。VHVednc

当然,想要针对些微差异的测试与质量问题提出新的见解极其困难,特别是有些「主题」并不会轻易地释出其「秘密」。然而,透过新的仪器、配置、想法以及资金(当然不可或缺),它可能会更加可行。无论是从字面意义或比喻象征意义来看,想想看在目前的测试与量测(T&M)设置中,您还想看到哪些事物?VHVednc

(原文发表于EDN姐妹刊EE Times,Susan Hong编译)VHVednc

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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