Rekonstruktion eines 3D-Model eines锂离子- akkus in unterschiedlichen Betriebszuständen mithillife von neutronencomputer tomography

Im Unterschied zu镍镉- (NiCd)，镍氢- (NiMH) oder Bleiakkus bieten锂离子- akkus (Li-Ionen-Akkus) zahlreiche Vorteile zum Speichern elektrochemischer Energie, darunter hohe Energie und Leistungsdichten, einen vernachlässigbaren记忆效应sowie eine geringe Selbstentladung。Aufgrund dieser Vorteile信德锂-离子-阿库斯für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen理想geeignet: tragbare Werkzeuge und Unterhaltungselektronik, hybridiiert oder rein elektrisch betriebene Fahrzeuge (vom Fahrrad bis zum Containerschiff) oder stationäre Speicher für erneuerbare Energie aus Wind- oder Solarkraftanlagen zur Netzstabilisierung。锂离子技术:所以，锂离子-阿库斯，锂离子-阿库斯，锂离子-贝格伦中兴，Lebensdauer, Bezug, auf Die erreichbare, Zyklenzahl, oder Die zeitnahe, Alterung。Zusätzlich weisen sie einen schmaleren温控器auf, in dem ein stabilieb Betrieb möglich ist。

欧格莱希·阿克提夫·达兰·阿贝登，diese Schwächen der锂离子-技术最小量，werden ihre Bemühungen dadurch erschwert, dass es neht einfach möglich ist, die komplexen Prozesse, die während des Betriebs im inen锂离子- akkus ablaufen, direkt zu beobachten。现代锂离子-阿库斯信德geschlossene电化学系统。Werden we zur untersuchungswecken geöffnet, kann der vorliegende electrotrochemische Gleichgewichtszustand durch Umgebungseinflüsse verfälscht Werden。

Um dieses Problem zu umgehen, wenden Forscher unter anderem die neutronentomography an, Um dreidimensional (3D) Modelle von Li-Ionen-Akkus zu erstellen[1]。Das 3d - model wid aus einer Serie von 2D-Projektionsbildern rekonstruiert, die mittel Neutronenradiographie aufgenome wurden, einem zerstörungsfreien Bildgebungsverfahren, Das Neutronen statt Röntgenstrahlen [2] zur Untersuchung nutzt。在diesem Artikel beschreiben wir den Prozess zur Rekonstruktion eines 3d - models eines Li-Ionen-Akkus aus hunderten von radiography chen 2d projektionen。Wir benutzen MATLAB^®und die图像处理工具箱™，um die 2d - projekations - bilddateien zu laden, Rauschen zu entfernen, den Rotationsmittelpunkt für jede Projektion zu berechnen, und eine逆Radon-Transformation durchzuführen, um so final aus den Projektionsdaten einen 3D-Datensatz eines锂离子- akkus zu erstellen。

拉登和信使

Die von un bei der Entwicklung der MATLAB-Algorithmen für dieses Projekt verwendeten Daten stamammten aus experimen [1]， Die an der Neutron Imaging束流ANTARES [2] am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching bei München durchgeführt wurden。Für jeden Datensatz wurden mit einem polychromatischen Neutronenstrahl 600 Projektionen über einen Winkelbereich von 360°aufgenome, indem der Li-Ionen-Akku für jede Projektion um 0,6°gedreht wurde。

死于führte祖恩·萨茨·冯2048 x 2048像素- bildern mit 32-Bit-Auflösung，死于旋转之光下。Beispiel:

bat_run1__000.600.fits.tif…bat_run1__359.100.fits.tif

Nach dem Laden jedes Bildes bestand der erste Schritt darin, einen Auswertebereich(感兴趣的区域，ROI) um den liionen - akku herum auszuwählen (Abbildung 2). Hierdurch kann die Gesamtgröße des tography edtenenszes and somhe auch die Verarbeitungszeit in den nachfolgenden Schritten stark reduziert werden。

Der folgende matlab代码最基本的eine einzelne Datei和legt den ROI mithilife desimrect-工具节，das im Abbildungsfenster in ziehares Rechteck erzeugt:

>> img = imread(“bat_run1__000.000.fits.tif”）;> > imshow (img);>> h = imrect >> ROI =等待(h) ROI = 750 450 650 1600

Danach programmierten wir MATLAB-Code für das Auslesen aller Bilddateien。嗯den Prozess zu optimieren and zu beschleunigen, wurde zuvor der Speicher allokiert。Der Rotationswinkel für den Akku (theta) wurde ausjedem Dateinamen extrhiert:

确定所有可用的映像文件文件= dir(“bat_run1__ * .tif”）;预分配内存ImageData = 0 (roi(2)，roi(1)，数字(文件));开始循环将图像加载到MATLAB中为N1 = 1: img = imread(文件(N1).name“PixelRegion”, {[roi (2) roi (2) + roi (4)] [roi (1) roi (1) + roi (3)]});ImageData(:，:，N1) = img;theta(N1) = sscanf(文件(N1).name，“bat_run1__ % g”);结束

Datenvorbereitung

在Bezug auf传输信号Einflüsse der Intensitätsverteilung des Neutronenstrahls和die Nachweiswahrscheinlichkeit des探测器在den erfast Bildern zu korrigieren, werden zwebesondere Arten von Referenzbildern verwendet, die zeitnah mit unveränderten experimentellen参数erstellt wurden。

在利尔比尔德的厄斯滕wurde，奥赫“开阔的”奥德“平坦的”genant, das mitOpenBeamDatabezeichnet wid, durch die Durchschnittsbildung meherer Bilder des Strahlprofils ohne Messobjekt (kein Akku vorhanden) erstellt，是zu einer praktisch leeren project führt。Zweitens in Dunkelbild, auch“暗流”oder“暗图像”genannt, mitDarkFieldDatabezeichnet, das durch die Durchschnittsbildung meherer Bilder bei abgeschaltetem Neutronenstrahl entstand，是zu einem völlig dunklen Bild führte (Abbildung 3)， welches偏移- werte für die einzelnen Pixel des检测器光。

贝德中子昆虫学steellen die Intensitätswerte in jedem Projektionsbild die Transmissionseigenschaften des objeckts dar。Die Neutronenschwächung \(μd\) ergibt sich aus \(μd =- ln(\frac{I}{I_0}) \) wobei \(I\) and \(I_0\) jewelils der übertragene bzw。奥芬·斯特拉尔和jedem Pixel sind。在敦克尔bild的基础上，在Leerbild的基础上，在Leerbild的基础上。数据规划与设计规范Neutronenschwächungswerts erfolgt für jedes数据规划与设计设计MATLAB-Schleife:

对于N1 = 1:数字(文件)去除噪声%ImageData(:，:，N1) = -log(ImageData(:，:，N1)- DarkFieldData)./(OpenBeamData-DarkFieldData);结束

Berechnung des Rotationsmittelpunkts

蓓德反演氡变换muss die Objektrotationsachse mit der " Bildmitte " zusammenfallen。我们的世界，我们的世界，我们的世界，我们的世界。偏移量，wie eine Verschiebung和Verkippung, werden später mit MATLAB-Code korrigiert。

Eine Fehlausrichtung de Akkus ist in der Superposition von zwei Bildern offensichlich, die bei um 180°unterschedlichen Winkeln er快速wurden (Abbildung 4)。

Um das Ausrichtungs-Offset zu messen, richteten wir in Optimierungsproblem in, das den Rotationsmittelpunkt anpasste, Um den Unterschied zwischen zwei derartigen Bildern zu minimieren:

函数offset = DetermineRotationCentre(img1,img2);offset = fminsearch(@(x) ImageCompare(x,img1,img2)，-100);结束函数f= ImageCompare(x,img1,img2) f=mean(mean(abs(img1-circshift(fliplr(img2)，[0 round(x)]))));结束

丹温德顿与贝里什涅顿的距离

>> Offset = DetermineRotationCentre(ImageData(:，:，1)，ImageData(:，:，301 >> ImageData = ImageData(:，Offset:end，:);

三维体积再造工程

Nachdem die 2D-Bilder geladen, normiert und zentriert wurden, beht der letzte Schritt zur Rekonstruktion der 3D-Darstellung der Innenstruktur des Akkus in der Durchführung einer反演Radon-Transformation。Wir nutzten死iradon-Funktion ausder图像处理工具箱，um diese转换der projjektionsdaten auszuführen und den Li-Ionen-Akku Schicht um Schicht zu rekonstruieren (Abbildung 5)。

Die MATLAB-Schleife für Die Rekonstruktion des Akkubildes ist recht einfach:

为N1 = 1:size(ImageData,1)使用squeeze来删除单维度，因为iradon需要一个2d数组作为输入层(:,:,N1) = iradon(挤压(ImageData (N1、::)),θ);结束

Nachdem das Akkubild rekonstruiert wurde, verwendeten wir MATLAB zur可视化einzelner Querschnitte im Detail (Abbildung 6)。

mithilife des colormapeditors温登wir das Farbschema interaktiv auf die 32-Bit-Schwächungsbilder an (entweder Graustufen oder Falschfarben)。Durch die manuelle Anpassung des Farbschemas werden kleine Details wie in Sicherheitsventil, in Metallröhrchen im Zentrum, Dichtungen, integrierte Schaltkreise and die Stapelfolge aufgerollter Elektroden des锂- ionen - akkus klar sichtbar (Abbildung 7)。

Das Ergebnis der Rekonstruktion mit Hilfe der iradon-Funktion light egtals in 3D-Datenarray vor。Für该算法的可视化计算方法与MATLAB算法的计算方法Möglichkeiten。

Beispiel 1 (Abbildung 8，链接)

麻省理工学院《等值面——和补丁-Funktion kann das object recht einfach ausdem 3D-Datenarray extrhiert und dargestellt werden:

hFig =图p = patch(isosurface(Layer, 0.0015，“颜色”)，“FaceColor”,(。5 .5 .5]，“EdgeColor”，“没有”)轴图像视图(3)栅格上避雷针camlight

Beispiel 2 (Abbildung 8, mitte)

Für die Schnittdarstellung kann die Funktionisocapsherangezogen了。Dafür " schneiden " wir ein Teil unserer Daten ab. Danach visualisieren wir zuerst die Außenform und anschließend die Schnittfläche mit Hilfe derisocaps-Funktion:

hFig =图截掉部分数据图层(1:20 0，:，:)= [];p1 = patch(isosurface(Layer, 0.0015，“颜色”)，“FaceColor”,(。5 .5 .5]，“EdgeColor”，“没有”) p2 = patch(isocaps(Layer, 0.001)，“FaceColor”，的插值函数，“EdgeColor”，“没有”)轴图像视图(3)栅格上避雷针camlight

Um auf die rechte Darstellung in der Abbildung 8 zu kommen werden Beispiel 1 und Beispiel 2 nacheinander ausgeführt und die Transparenz der Außenform auf niedrigen Wert gesetzt。

p.FaceAlpha = 0.1;

Der Effekt Der zel - lade /Entladevorgänge wurde mit einem neutronentomography - experiment untersucht, bei dem die Datenerfassung bei zwei verscheenen Ladezuständen durchgeführt wurde (Abb. 9)， nämlich U=3,00 V (links) und U=4,20 V (rechts)， entsprechend dem Ladezustand (SOC) 0% und 100%。Die Zelle wurde während der Datenerfassung nicht erneut montiert, experimentelle细节和展览pro投影wurden gleich gewählt，是den direkten Vergleich der verschienenen soc gesammelten Datensätze ermöglicht。在法码上，在法码上，在法码上，在法码上，在法码上，蓝色Neutronenschwächung。Die sich ändernde Farbe bis hin zu Rot zeigt Bereiche mit zunehmender Neutronenschwächung anzeigt。

贝SOC= 0% wurden die gut aufgelösten Elektrodenschichten beobachtet。贝姆Aufladen der Zelle auf 4 0 V是der Kontrast说是窝层reduziert和im vollgeladenen Zustand(贝4 2 V)信德keine unterschiedlichen Elektrodenschichten祖茂堂看清。Das beobachtete ladungsbedingte“Verschwinden”von Elektrodenschichten lässt sich darauf zurückführen, dass sich bei SOC nahe 0 % der Großteil des锂和负的Elektrode (Kathode) befindet。Die Zellaufladung zwingt锂大祖，sich von der Kathode zur阳极zu bewegen, woodurchder anfängliche Kontrast zwischen den正与负Elektroden reduziert wund Die Schichtung in den rekonstruierten Bildern verschwindet。Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften lässt sich锂in den batteren ausgezeichnet mit neutronenbasierten Bildgebungsverfahren erkennen， Übergangselemente von der Kathode oder Stromzuleitung unterscheiden sowie die Elektrodendynamik durch Wasserstoff-Lokalisierung überwachen。

Schlussfolgerungen

Das von uns in MATLAB implementierte Rekonstruktionsverfahren bieteine zerstörungsfreie Methode zur Beobachtung des Verhaltens des Li-Ionen-Akkubetriebs unter verschienen Bedingungen und Alterungszuständen。疾病诊断的诊断方法。Es ist besonders gut für die现场-Alterungsdiagnose geeignet, die als Teil der Qualitätskontrolle bei der Akkuherstellung implementiert werden kann。Der von uns verindete MATLAB-Code kann durch die Implementierung weiterer zusätzlicher Datenfiltrierungstechniken oder durch weitere Visualisierungsansichten des rekonstruierten 3D-Bildes bigbigerweitert and auf einfache Weise angep助理werden。

Danksagungen

德国实验项目的实验内容unterstützt。让他们见鬼去吧海因茨迈尔莱布尼茨中心für登祖冈祖尔实验艾伦基础设施。