随着科技的发展，锂电池因其高能量密度、长寿命和低自放电率等优点，已成为便携式电子设备和电动汽车的首选能源。18650型锂电池作为一种标准电池单元，广泛应用于电动汽车、航空航天及便携设备中。研究其在极端条件下的性能有助于满足这些领域对高能量密度电池的需求。

南卡罗来纳大学工程与计算学院的Austin Downey 博士团队在国家科学基金会（NSF）和美国空军研究实验室的支持下，对18650型2500mAh20A电池在快速放电时的材料特性进行研究。Correlated Solutions使用VIC-3D非接触全场应变测量系统对该实验进行协助。

 

测试详情

  • 电池：18650 型 2500 mAh 20 A

  • 电池测试系统：NHR 9200

  • DIC 系统：VIC-3D非接触全场应变测量系统，配备 500 万像素相机、50 mm镜头和 1050 LED 灯组

  • 地点：南卡罗来纳大学工程与计算学院ARTS 实验室

 

 

关注重点：电流中断装置（CID）

电池安全是锂电池应用中的关键问题。特别是在高倍率放电时，电池的保护机制（如电流中断装置，CID）需要能够有效防止灾难性故障。当电流超过预定的安全限值时，CID会中断电流流动，这可以防止电池过热，从而避免损坏、起火甚至爆炸。对于设计用于快速释放大量电流的高性能电池而言，这种保护对于防止灾难性故障至关重要。通过实验研究CID的触发机制和电池的应变变化，可以提高电池的安全性和可靠性。

通常，当电池承受高应力时，电池内部的电解液会蒸发，从而在CID触发前产生内部压力。在研究的早期阶段，该团队尝试使用应变计来测量这种逐渐增加的负荷。但由于应变计体积小，给传感器的安装带来了困难，而且有限的测量区域也阻碍了测试目标的实现。研究团队需要 VIC-3D 系统在极端放电条件下提供的非接触式全场位移和应变测量数据，以确定电池半径的精确变化。

使用70mm视场标定板进行系统标定

由于触发 CID 会使电池报废，因此了解锂电池在接近失效条件时的退化参数至关重要。

实验细节：DIC角度

AOI选区：

用于测量电池在压力增加和直径变化时的环向应变。为专注与研究相关的部分，研究团队专门绘制了AOI（Area of Interest：感兴趣区域），在图像中预先定义特定区域，以集中分析和处理数据。子区域大小设置为 45x45 像素，步长设置为 5，随后分析了 700 多对散斑图像。分析完成后，数据以3D图和散斑图案的2D叠加图的形式呈现。

坐标系变换与“去除刚体运动”：

基于电池形状，需在VIC-3D软件执行圆柱坐标系变换，以确定圆柱的中心轴和每个点对应的半径。当电池升温和压力增加时，计算每个点的ΔR，应用圆柱变换以及笛卡尔坐标变换，使圆柱轴与系统中的y轴完全对齐。VIC-3D软件还可以去除刚体运动，该功能是从变形图像中减去刚体位移，仅保留位移的变形分量。经过这些操作后，再次计算应变，使 Exx 应变表示环向应变，Eyy 应变表示轴向应变。

数据可视化处理：

计算完成后，用户可以使用VIC-3D iris虹膜图形引擎对数据进行可视化处理。该工具允许用户快速简单地在同一幻灯片中并置 2D云图、3D云图、线图、图像和模拟数据等，以直观且视觉上吸引人的方式展示复杂的 DIC 结果。

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VIC-3D来源

 

VIC-3D非接触全场应变测量系统，源自全球DIC理论与技术的原创者和领导者--Correlated Solutions公司。自1980年代以来，创立Correlated Solutions公司的科学家们结合理论研究与卓越的工程应用经验，造就了VIC-3D系列解决方案卓越的系统稳健性、环境适用性、功能扩展性、精度可靠性和极高的计算效率，是过程可控可评估的高可靠性科研级DIC测量解决方案。

Correlated Solutions拥有跨国研发中心和制造工厂，为全球用户提供本地化的专业DIC数字图像相关测量产品和定制化咨询与服务。