使用FLIR紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行電池檢測(cè)

為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，使用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行電池檢測(cè)變得越來(lái)越重要。鋰離子電池 (LIB) 制造商面臨的挑戰(zhàn)是最大限度地提高電池性能并降低成本，以保持采用 LIB 技術(shù)的經(jīng)濟(jì)吸引力。

從牙刷到汽車、從耳機(jī)到移動(dòng)設(shè)備、從玩具到半掛卡車，鋰離子電池技術(shù)幾乎滲透到了所有領(lǐng)域。因此，對(duì)電池材料、電極設(shè)計(jì)創(chuàng)新、制造工藝改進(jìn)和充電密度優(yōu)化的需求不斷增加。

在本文中，我們討論了如何在制造過(guò)程的各個(gè)階段使用熱成像和無(wú)損檢測(cè) (NDT) 進(jìn)行電池檢測(cè)，以最大限度地減少電極缺陷、優(yōu)化材料使用并確保產(chǎn)品質(zhì)量。

鋰離子電池結(jié)構(gòu)

電芯是鋰離子電池的重要組成部分，通常由正極、負(fù)極、電解質(zhì)和隔膜等四個(gè)主要部分組成，每個(gè)部分都是由不同材料組成。

正極材料

鋰電池的正極材料通常為金屬氧化物，例如：LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等。鋰離子電池正極材料的特點(diǎn)是容量高、性能穩(wěn)定、價(jià)格較高。

負(fù)極材料

鋰電池負(fù)極材料一般使用石墨，因?yàn)樗哂休^高的電導(dǎo)率、很好的化學(xué)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

電解質(zhì)

鋰離子電池的電解質(zhì)通常是有機(jī)碳酸酯，例如：EC、DEC、DMC、EMC等。電解質(zhì)的主要作用是充當(dāng)離子媒介，傳遞鋰離子。

隔膜

鋰電池隔膜材料通常使用聚烯烴或玻璃纖維等材料制成，隔離正極和負(fù)極的電流，并允許鋰離子在兩極之間流動(dòng)。

電池檢測(cè)剖析

鋰離子電池操作

鋰離子電池的運(yùn)行完全取決于鋰離子在陰極 (+) 和陽(yáng)極 (-) 電極之間的來(lái)回移動(dòng)。充電時(shí)離子朝一個(gè)方向移動(dòng)（吸收能量），放電時(shí)離子朝相反方向移動(dòng)（提供能量）。當(dāng)離子不再流動(dòng)時(shí)，電池要么充滿電，要么放電完畢。

充電階段（吸收功率）

在充電階段，在外部電源的作用下，鋰離子會(huì)通過(guò)隔膜和電解質(zhì)從正極遷移到負(fù)極。與此同時(shí)，電子會(huì)從正極流向負(fù)極，但與鋰離子不同，電子無(wú)法穿過(guò)隔膜，而是繞著外電路走不同的路徑。到達(dá)負(fù)極后，電子和離子會(huì)結(jié)合。當(dāng)沒(méi)有更多離子可以流動(dòng)時(shí)，電池已充滿電并可以使用。

電池檢測(cè)剖析

放電階段（電源來(lái)自）

在放電階段，陽(yáng)極中的鋰原子被電離并與電子分離。鋰離子通過(guò)隔膜和電解質(zhì)從負(fù)極陽(yáng)極遷移到正極陰極。同時(shí)，自由電子通過(guò)外電路從陽(yáng)極流向陰極電極，為筆記本電腦等外部設(shè)備供電。離子和電子在陰極重新結(jié)合，變?yōu)殡娭行?。?dāng)沒(méi)有更多離子可以流動(dòng)時(shí)，電池已完全放電，需要充電才能再次供電。

電池檢測(cè)剖析

鋰離子電池制造工藝

下圖說(shuō)明了電池制造過(guò)程，其中包括三個(gè)主要部分：電極準(zhǔn)備、電池組裝和電池電化學(xué)活化。

電池制造流程

1. 漿料制備：

將活性物質(zhì)（AM）、導(dǎo)電劑、粘合劑與溶劑混合，形成均勻的漿體。

2. 涂敷及干燥：

將漿料泵入狹縫模具，涂覆在集流體（陰極為鋁箔，陽(yáng)極為銅箔）的兩側(cè)，并輸送至干燥設(shè)備以蒸發(fā)溶劑。

3.壓延：

電極通過(guò)雙缸壓機(jī)進(jìn)行壓縮。這將有助于調(diào)整電極的物理特性（粘合性、導(dǎo)電性、密度、孔隙率等）。

4.切割電極：

將完成的電極沖壓并切割成所需尺寸，以適應(yīng)電池設(shè)計(jì)。然后將電極送入真空爐以去除多余的水分。

5.電池組裝：

電極制作好后，連同隔膜一起送入烘干室，進(jìn)行電池生產(chǎn)。電極和隔膜被一層層卷繞或堆疊起來(lái)，形成電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。鋁片和銅片分別焊接在正極和負(fù)極集流體上。

6. 電解質(zhì)填充與形成：

然后將電池組轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)的外殼中。制造商根據(jù)電池應(yīng)用使用各種包裝。在最終密封之前，外殼中充滿電解質(zhì)，完成電池生產(chǎn)。

電池/電極性能

從根本上講，任何影響電池內(nèi)鋰離子在陰極和陽(yáng)極之間流動(dòng)的因素都會(huì)影響電池的性能。因此，電池的設(shè)計(jì)、制造和操作應(yīng)以優(yōu)化離子和電子流動(dòng)為目標(biāo)。

在制造過(guò)程中，有時(shí)電池產(chǎn)品可能會(huì)出現(xiàn)缺陷和瑕疵。例如，在涂層和干燥步驟中，成型電極可能容易受到以下因素的影響：

• 復(fù)合材料鋪展不均勻/厚度變化
• 碳與聚合物粘合劑比率的變化
• 劃痕
• 氣泡/水泡

污染顆粒進(jìn)入電極箔還可能導(dǎo)致其他性能受損。在涂層、壓延和分切過(guò)程中，電極箔可能會(huì)暴露在生產(chǎn)環(huán)境中的脫層顆粒、磨損的金屬顆粒和灰塵中。

引入的污染物、缺陷和裂紋會(huì)對(duì)離子/電子在電化學(xué)電池內(nèi)傳播的能力產(chǎn)生不利影響，從而降低電池性能。

用于電池檢測(cè)和質(zhì)量控制 (QC) 的熱成像技術(shù)

紅外熱成像已被證明是一種有效的無(wú)損檢測(cè)方法，適用于多種行業(yè)的各種應(yīng)用。紅外熱像儀的基本操作基于輻射傳熱原理。紅外熱像儀內(nèi)部有一個(gè)焦平面探測(cè)器元件陣列，可以“看到”從物體表面輻射的紅外光。紅外熱像儀探測(cè)器捕獲的輻射被數(shù)字化，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，并顯示為可在可見(jiàn)光譜中查看的圖像。某些紅外熱像儀經(jīng)過(guò)輻射校準(zhǔn)，可記錄和顯示測(cè)量單位。紅外熱像儀配有不同的傳感器和像素分辨率，可以查看特定的紅外波段。

用于電池檢測(cè)和質(zhì)量控制 (QC) 的先進(jìn)熱成像技術(shù)

用于電池檢測(cè)的閃光熱成像技術(shù)

使用熱成像技術(shù)進(jìn)行電池檢測(cè)涉及激發(fā)目標(biāo)，并且已被證明在檢測(cè)電池電極的缺陷和污染物方面最有效。閃光紅外熱成像是一種主動(dòng)熱成像技術(shù)，其中目標(biāo)暴露在熱能閃光下，隨后表面溫度的變化由紅外熱像儀監(jiān)測(cè)。計(jì)算機(jī)獲取熱波信號(hào)序列，并進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像信號(hào)處理和分析，揭示熱能如何從表面?zhèn)鬟f到目標(biāo)內(nèi)部。如果目標(biāo)有空隙或缺陷，熱傳導(dǎo)路徑將被中斷。這些中斷會(huì)導(dǎo)致表面溫度差異，而紅外熱成像技術(shù)可以檢測(cè)到這些差異。

用于電池檢測(cè)的閃光熱成像技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)，溫度曲線的上升表明存在污染物和團(tuán)聚物，而溫度曲線的下降則表明存在針孔和起泡。

另一個(gè)電池檢測(cè)應(yīng)用在電池組裝階段之后直接使用主動(dòng)閃光熱成像技術(shù)，在此階段，陽(yáng)極和陰極電極被焊接在一起，并連接避雷器片。焊接至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儧Q定了內(nèi)部接觸電阻，從而影響充電時(shí)間、功率輸出和熱量產(chǎn)生。此外，焊接強(qiáng)度的耐磨性和疲勞性將決定電池的使用壽命。

通過(guò)使用先進(jìn)的熱成像技術(shù)分析焊縫中的熱傳播，可以確定焊縫結(jié)構(gòu)和電導(dǎo)率。一般來(lái)說(shuō)，高熱導(dǎo)率表示焊縫良好、均勻、穿透性好且電流為正。

電池性能下降因素

結(jié)論

電池檢測(cè)和監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程中的電極、電池芯和電池組有助于及早發(fā)現(xiàn)故障和缺陷，從而快速調(diào)整生產(chǎn)條件。識(shí)別更接近生產(chǎn)點(diǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題將減少?gòu)U品、提高產(chǎn)品質(zhì)量并優(yōu)化生產(chǎn)成本。

事實(shí)證明，紅外熱成像是一種有效的在線無(wú)損檢測(cè)方法，可用于評(píng)估和診斷鋰離子電池的生產(chǎn)。它可用于識(shí)別電極制造階段引入的污染顆粒和缺陷的形成。此外，使用紅外熱成像的電池檢測(cè)可成為評(píng)估電池制造和電池包裝中焊縫的有效工具。

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