使用FLIR紅外熱成像技術(shù)進行電池檢測

為了保持競爭力，使用紅外熱成像技術(shù)進行電池檢測變得越來越重要。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)濟吸引力。

從牙刷到汽車、從耳機到移動設(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，對電池材料、電極設(shè)計創(chuàng)新、制造工藝改進和充電密度優(yōu)化的需求不斷增加。

在本文中，我們討論了如何在制造過程的各個階段使用熱成像和無損檢測 (NDT) 進行電池檢測，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、負極、電解質(zhì)和隔膜等四個主要部分組成，每個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是容量高、性能穩(wěn)定、價格較高。

負極材料

鋰電池負極材料一般使用石墨，因為它具有較高的電導(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，隔離正極和負極的電流，并允許鋰離子在兩極之間流動。

電池檢測剖析

鋰離子電池操作

鋰離子電池的運行完全取決于鋰離子在陰極 (+) 和陽極 (-) 電極之間的來回移動。充電時離子朝一個方向移動（吸收能量），放電時離子朝相反方向移動（提供能量）。當(dāng)離子不再流動時，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，鋰離子會通過隔膜和電解質(zhì)從正極遷移到負極。與此同時，電子會從正極流向負極，但與鋰離子不同，電子無法穿過隔膜，而是繞著外電路走不同的路徑。到達負極后，電子和離子會結(jié)合。當(dāng)沒有更多離子可以流動時，電池已充滿電并可以使用。

電池檢測剖析

放電階段（電源來自）

在放電階段，陽極中的鋰原子被電離并與電子分離。鋰離子通過隔膜和電解質(zhì)從負極陽極遷移到正極陰極。同時，自由電子通過外電路從陽極流向陰極電極，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)殡娭行浴．?dāng)沒有更多離子可以流動時，電池已完全放電，需要充電才能再次供電。

電池檢測剖析

鋰離子電池制造工藝

下圖說明了電池制造過程，其中包括三個主要部分：電極準備、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：

電極通過雙缸壓機進行壓縮。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。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，進行電池生產(chǎn)。電極和隔膜被一層層卷繞或堆疊起來，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)鋰離子在陰極和陽極之間流動的因素都會影響電池的性能。因此，電池的設(shè)計、制造和操作應(yīng)以優(yōu)化離子和電子流動為目標(biāo)。

在制造過程中，有時電池產(chǎn)品可能會出現(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、壓延和分切過程中，電極箔可能會暴露在生產(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、缺陷和裂紋會對離子/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損檢測方法，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)部有一個焦平面探測器元件陣列，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)，并顯示為可在可見光譜中查看的圖像。某些紅外熱像儀經(jīng)過輻射校準，可記錄和顯示測量單位。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。

用于電池檢測和質(zhì)量控制 (QC) 的先進熱成像技術(shù)

用于電池檢測的閃光熱成像技術(shù)

使用熱成像技術(shù)進行電池檢測涉及激發(fā)目標(biāo)，并且已被證明在檢測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。計算機獲取熱波信號序列，并進行實時圖像信號處理和分析，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。這些中斷會導(dǎo)致表面溫度差異，而紅外熱成像技術(shù)可以檢測到這些差異。

用于電池檢測的閃光熱成像技術(shù)

一般來說，溫度曲線的上升表明存在污染物和團聚物，而溫度曲線的下降則表明存在針孔和起泡。

另一個電池檢測應(yīng)用在電池組裝階段之后直接使用主動閃光熱成像技術(shù)，在此階段，陽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，因為它們決定了內(nèi)部接觸電阻，從而影響充電時間、功率輸出和熱量產(chǎn)生。此外，焊接強度的耐磨性和疲勞性將決定電池的使用壽命。

通過使用先進的熱成像技術(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。一般來說，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

電池檢測和監(jiān)控生產(chǎn)過程中的電極、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。識別更接近生產(chǎn)點的產(chǎn)品質(zhì)量問題將減少廢品、提高產(chǎn)品質(zhì)量并優(yōu)化生產(chǎn)成本。

事實證明，紅外熱成像是一種有效的在線無損檢測方法，可用于評估和診斷鋰離子電池的生產(chǎn)。它可用于識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可成為評估電池制造和電池包裝中焊縫的有效工具。

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