老化磷酸铁锂(LiFePO4，LFP)与镍锰钴(NMC)氧化物电动汽车动力电池内部结构分析及不同体系工业计算机断层扫描(Industrial Computed Tomography，ICT/CT)对比

《Energies》：Aged Lithium Iron Phosphate and Nickel Manganese Cobalt Electric Vehicle Batteries Internal Structure Analysis and Comparison Using Industrial Computed Tomography

　　

本项为期两年的研究提出将工业计算机断层扫描（工业CT，Industrial Computed Tomography）作为传统容量与内阻测试的补充手段，不仅用于评估电动汽车所用不同体系锂离子单体电池的健康状态（State of Health，SOH），还可推断其既往工况历史。常规评估方法主要关注电池电学特性，而工业CT可实现单体电芯内部三维结构变化的可视化与非破坏性系统评价，并能对不同锂电芯体系内部结构演变进行比较。本研究考察两种锂离子电化学体系：磷酸铁锂（Lithium Iron Phosphate，LFP）与镍锰钴氧化物（Nickel Manganese Cobalt Oxide，NMC）。通过分析新电芯及循环老化至SOH降至初始值60%后获得的CT扫描数据，探讨不同放电倍率（1C、2C和3C）对电池衰减的影响。研究结果增进了对变放电条件下电池老化相关物理过程的理解，可实现对电池健康状态的更完备评估。

论文解读：老化磷酸铁锂(LiFePO₄，LFP)与镍锰钴(NMC)氧化物电动汽车动力电池内部结构分析及不同体系工业计算机断层扫描对比

一、研究背景与意义

传统锂离子电池老化评估主要依赖容量、内阻等电化学参数测试，无法直观反映电芯内部卷绕结构（jelly-roll）发生的物理退化，如电极层分层（delamination）、极片错位或阳极悬垂（anode overhang）变形等。破坏性拆解分析虽能观察老化特征，但需惰性气氛操作且无法对同一电芯进行老化前后纵向比对，个体差异亦引入不确定性。工业计算机断层扫描（Industrial Computed Tomography，工业CT）基于X射线吸收差异实现非破坏、三维体素化重构，可重复扫描同一电池追踪内部结构演化。目前利用工业CT对同一LFP与NMC 18650电芯在老化前后进行纵向配对比较的研究较少。该研究由研究人员开展，利用Nikon XT H 225工业CT系统对LFP与NMC 18650圆柱电池在新品状态及循环老化至SOH=60%后进行重复扫描，结合1C/2C/3C放电倍率老化实验，量化并比较两体系内部结构性退化特征，阐明电-化-机耦合应力对老化的作用，为电池管理系统（Battery Management System，BMS）设计及寿命延长策略提供结构层面依据。论文发表于《Energies》。

二、主要关键技术方法

研究人员选用市售18650型LFP（1800 mAh，3C）与NMC（2600 mAh，11C）单体各3枚，分别在1C、2C、3C恒流放电、1C恒流+恒压（Constant Voltage，CV）充电至截止电流0.25 A条件下循环，深度放电（Depth of Discharge，DOD）=100%，持续至SOH衰减至初始容量60%（视为寿命终止End-of-Life，EOL）。新品及EOL后分别使用Nikon XT H 225微焦点工业CT（225 kV源，几何放大7–9倍，体素分辨率9–16 μm，1800幅投影，Inspect-X重构，VGStudio MAX分析），正负极端分区独立扫描以提高分辨率。记录等效全循环数（Equivalent Full Cycle，EFC）、容量、内阻，CT数据提取阳极悬垂尺寸、各高度水平（距顶端12 mm、20 mm）横截面及最严重分层区XZ/YZ纵截面，统计分层层数及卷芯鼓胀/中心针（mandrel）接触情况。每放电倍率仅单电芯测试（n=1/条件），属探索性表征。

三、研究结果

3.1. Internal LFP Battery Positive Terminal Analysis（LFP电池正极端内部结构分析）

研究人员发现LFP新电芯正极侧阳极悬垂为60–135 μm，老化后变为50–140 μm，全局尺寸变化微小（±10–15 μm），但局部边缘变形明显。内部退化以卷芯层间分层为主，向电芯中心加剧，距正极端12 mm处最严重标本出现多达11层分层；3C放电标本循环数最少（588次循环，约436 EFC）且分层较轻（约无或少量），1C与2C因总循环次数更多分层更严重。表明大倍率主要致边缘变形，严重分层受累积循环应力主导。

3.2. Internal NMC Battery Positive Terminal Analysis（NMC电池正极端内部结构分析）

NMC新电芯阳极悬垂50–100 μm，老化后基本同范围。各倍率下均出现阳极悬垂边缘变形及内部分层，距顶端12 mm处分层2–3层，20 mm处增至4–5层；卷芯径向膨胀使电极层压紧中心金属mandrel但mandrel未变形。分层程度同样在较低倍率（较多循环数）下略显著，总体分层轻于LFP。

3.3. Internal LFP and NMC Battery Positive Terminal Degradation Comparison（LFP与NMC电池正极端退化对比）

研究人员对比指出：LFP较NMC发生更严重的内部分层（最多11 vs 5层），且在2C时分层层数达峰，3C时减少；NMC分层少且倍率影响弱。两体系阳极悬垂绝对尺寸均稳定（变化5–15 μm），但LFP悬垂区变形较NMC轻微。分层均向电芯中部加重，卷芯鼓胀现象相似（除3C LFP略轻）。LFP在3C倍率下达EOL所需循环最少，对大倍率更敏感；NMC表现较优结构稳定性。

四、讨论与结论翻译

讨论指出本研究局限为每组条件仅单一样本，趋势具指示性需更大样本验证；工业CT可有效检测电化学测试遗漏的结构退化特征。

结论如下翻译：

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  循环寿命与放电倍率影响：所有测试电芯达定义EOL，所需循环数依放电倍率与化学体系而异。3C放电LFP电芯寿命最短，588次循环（436 EFC）达60% SOH，可能与接近制造商最大连续放电限致内极化增大、电化学衰减加速有关。
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  阳极悬垂稳定性：老化前后LFP与NMC阳极悬垂绝对值仅微变（通常5–15 μm），整体几何稳定，但近壳体处局部电极边缘变形可见。
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  内部结构性退化：尽管悬垂区几何变化小，多标本电极堆内部出现显著退化，最突出机制为jelly-roll内层的分层，向电芯中心加重；最严重LFP达11层分层，NMC达5层。
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  径向机械应力效应：归因反复嵌锂/脱锂过程的电-化-机应力累积，电极材料膨胀产生卷芯内径向压力致中心压缩，使卷芯接触mandrel，mandrel本身未发生机械变形。
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  放电倍率对退化机制影响：较高倍率主要促电极边缘局部变形，严重分层主要在低倍率（1C、2C）经历更多总循环数的电芯中出现，表明累积循环应力主导层分离与结构退化发展。
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  圆柱电池设计启示：外部几何变化不明显时内部机械退化仍可发生，维持jelly-roll电极组件结构稳定性对电动车高循环应用长期可靠性至关重要。
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  电动车应用意义：较低倍率（低加速）促严重分层，但持续高倍率（高加速）减短等效循环寿命并加剧悬垂变形，故限制电动车最大可用功率有助于延长电池组寿命，应在BMS优化中予以考虑。
  总体而言，研究结果凸显电-化-机相互作用在锂离子老化中重要性，证明死后（post-mortem）结构分析可提供仅凭电化学测量无法探测的退化机理洞见。未来工作将扩展至高性LFP电芯、更多工况及整合X射线CT动态表征老化中内部结构演变。