锂电池无损检测技术有哪些

一、主要无损检测技术

1.X射线检测技术

该技术利用X射线的穿透与衍射特性，实现对电池内部结构的高分辨率成像和化学态分析。
核心技术与应用：
X射线计算机断层扫描（X-Ray CT）：通过多角度扫描和三维重建，可实现从微观颗粒到宏观电池的多尺度形态成像，用于追踪电极孔隙率变化、裂纹扩展、锂枝晶三维形貌以及电池老化过程中的结构变形。
X-Ray是在锂电池制造过程中必须用到设备，例如在电池入壳介素，焊接好后，我们会进行X-Ray检测。
近年来，在 3D X-Ray CT 的基础上，集成了三维空间信息与时间维度信息的 4D X-Ray 技术被开发出来，该技术可在电池充放电过程中实时捕捉电极材料微观结构动态演变（如体积膨胀、裂纹扩展等），并精准定位锂枝晶生长、界面分层等潜在失效机制。

18650电池X-Ray检测，ab为正常电池，cd为异常；

X射线衍射（XRD）：基于布拉格定律，用于原位追踪电极材料在充放电过程中的晶体结构演化、相变行为，揭示材料退化机理（如层状结构表面重构）。
XRD在锂电池中的应用，更多的是分析电池材料，例如通过电池材料前后的对比，判断材料是否失效，材料中的晶体结构是否变化。现在原位XRD技术的出现，大家能直观的发现锂电池在充放电过程中，材料的变化。为研究者提供了更多的便利。

X射线吸收光谱（XAS）与X射线光电子能谱（XPS）：用于分析元素局域化学环境、价态变化及界面反应，如解析固态电池界面副反应、SEI成分及空间电荷层电势分布。
优点：空间分辨率高，可三维可视化，兼具结构与化学信息获取能力。
局限性：设备昂贵，重构算法复杂，对高密度材料（如电池外壳）穿透能力有限，XPS可能受辐照损伤干扰。

2.超声波检测技术

该技术基于超声波在材料中传播时，其速度（飞行时间TOF）、幅值和频谱等声学特征会因介质物理属性（密度、模量）变化而改变的原理。
核心方法与应用：
透射法、脉冲回波法、衍射时差法：用于不同检测场景。

状态估计：通过TOF等参数与电极密度/模量变化的关联，实现对电池荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）的高精度估计，常结合神经网络等智能算法提升鲁棒性。

缺陷检测：对电池内部物理状态变化高度敏感，已成功用于析锂（锂枝晶析出）、产气（电解液分解）、电解液浸润不良以及热失控早期预警的检测与成像。

超声检测电池产气

优点：非侵入、成本较低、响应快速、适合原位和在线实时监测。
局限性：信号易受温度、电流及电池结构复杂性影响，需算法补偿，建模相对困难。

3.磁共振与磁场成像技术

此类技术利用原子核自旋或电磁感应原理，提供元素特异性强、对电池内部动态过程解析能力强的检测手段。

核磁共振（NMR）：通过分析特定原子核（如 7Li7Li）的共振信号，无损获取材料局部结构、SEI成分、金属锂状态及离子迁移数等信息。
磁共振成像（MRI）：在NMR基础上加入空间编码，实现锂离子分布、电解液迁移及锂枝晶生长的三维空间可视化成像，适用于动态过程监测。
磁场成像（MFI）：基于安培环路定律，通过高灵敏度传感器阵列测量电池外部磁场，反演内部电流密度分布，用于识别焊接缺陷、集流体断裂、电流不均等异常。
优点：NMR/MRI元素选择性强，可获取动力学信息；MFI空间分辨率高、响应快，无需改造电池。
局限性：NMR/MRI设备昂贵，灵敏度受核种丰度和磁场强度限制，商业电池金属外壳可能屏蔽信号；MFI数据易受环境干扰，反演算法复杂。

4.中子成像技术

利用中子与原子核相互作用的特性，特别是对锂、氢等轻元素的高灵敏度和对金属外壳的强穿透能力进行成像。
应用：主要用于可视化电池内部的锂迁移分布、电解液状态、气体生成与演化以及电极老化过程。常与X射线CT结合进行4D（三维空间+时间）协同成像，提供更全面的信息。
优点：对轻元素敏感，能穿透金属封装，实现内部过程无损可视化。
局限性：依赖大型中子源装置，成本极高，空间分辨率与成像速率有限，目前主要局限于实验室研究。

5.拉曼散射技术

基于光与物质非弹性散射产生的拉曼位移，解析材料的分子结构、化学组成和晶体缺陷。
应用：广泛应用于锂电池正负极材料的相变监测、固态电解质界面膜（SEI）的成分分析以及界面化学反应的原位追踪。表面增强拉曼散射（SERS）等技术可显著提高信噪比。
优点：无需复杂样品制备，适用于空气环境下的原位和工况研究，界面分析灵敏。
局限性：拉曼信号通常较弱，需要增强技术，且探测深度较浅，主要表征表面或近表面结构。

6.红外检测技术

分为红外热成像和红外光谱两大方向。
红外热成像：通过检测物体表面红外辐射，非接触式实时监测电池表面温度场分布。用于极片缺陷（划痕、针孔）识别、电池退化状态诊断以及热管理系统效能评估。

红外光谱：如傅里叶变换红外光谱（FTIR），通过分析物质对红外光的特征吸收，解析分子级反应。用于研究SEI形成机制、电解液分解路径以及正负极界面副反应。
优点：非接触、快速、可视化（热成像），能提供宏观热场和微观分子结构信息。
局限性：热成像易受环境干扰；红外光谱信号可能较弱，需增强处理，空间分辨率有限。

7.光纤检测技术

利用光纤传感器（如光纤布拉格光栅FBG）对应变、温度、化学成分等参数的高灵敏度调制响应进行原位监测。
应用：同步监测电池内部的温度和应变，用于SOC/SOH联合估算；研究电极电化学-力学耦合行为；通过检测挥发性有机物（VOC）实现热失控早期预警。
优点：灵敏度高、抗电磁干扰能力强、可嵌入式部署，适用于复杂环境下的多参数感知。
局限性：传感器和解调系统成本较高，系统集成复杂，长期稳定性有待提升。

锂电池无损检测技术总结与对比