下面介紹制造缺陷檢測及設(shè)備及電芯內(nèi)部檢測

制造缺陷檢測及設(shè)備

檢測設(shè)備有以下幾種：

①顯微放大系統(tǒng)；

②CCD測試系統(tǒng)；

③空氣耦合超聲波檢測設(shè)備。

下面僅就顯微放大系統(tǒng)和CCD測試系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1，顯微放大系統(tǒng)

在鋰電池制造過程中，為了分析研究，如觀察熔珠形態(tài)、觀察切割毛刺、overhang的離線測量等，常配備一套或多套顯微放大系統(tǒng)。

顯微放大系統(tǒng)的原理基于分析的目標(biāo)不同而有差異。這里介紹基于干涉顯微原理的表面形貌檢測系統(tǒng)。其他顯微放大系統(tǒng)可查閱相關(guān)資料，在此不再贅述。

與其他表面形貌測試技術(shù)相比，基于干涉顯微原理的表面形貌測量系統(tǒng)具有快速、非接觸的優(yōu)點(diǎn)，可以完成多種結(jié)構(gòu)的表面形貌測量，因而獲得了廣泛應(yīng)用。

(1)設(shè)備用途

觀察熔珠形態(tài)、觀察切割毛刺、overhang的離線測量等多用途分析研究。

(2)工作原理

基于干涉顯微原理的表面形貌測量系統(tǒng)組成見圖1。其核心是光學(xué)干涉顯微系統(tǒng)，包括干涉顯微鏡、PZT平臺（含掃描器和相移器）及控制器。

圖1 基于干涉顯微原理的表面形貌測量系統(tǒng)組成

1—LED；2—準(zhǔn)直物鏡；3—光圈；4—過濾片；5—聚焦透鏡；6—分束器；7—物鏡；8—參考鏡；9—成像鏡頭；10—CCD

基于干涉顯微原理的表面形貌檢測系統(tǒng)通過在干涉儀上增加顯微放大視覺系統(tǒng)，提高了干涉圖的橫向分辨率，使之能夠完成微納結(jié)構(gòu)的三維表面形貌測量，因此是光學(xué)干涉法與顯微系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。

該系統(tǒng)根據(jù)測量模式要求采集樣品表面干涉圖以后，就可以應(yīng)用相應(yīng)算法對干涉圖進(jìn)行處理，提取相關(guān)參數(shù)。

基于干涉顯微原理的表面形貌測量系統(tǒng)實(shí)物例圖見圖2。

圖2 基于干涉顯微原理的表面形貌測量系統(tǒng)實(shí)物例圖

2，CCD測試系統(tǒng)

在鋰電池應(yīng)用中，經(jīng)常依據(jù)CCD的結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)分為線陣CCD測試系統(tǒng)和面陣CCD測試系統(tǒng)。本節(jié)介紹涂布工藝中用于表面缺陷檢測的線陣CCD測試系統(tǒng)?？刹殚喯嚓P(guān)資料了解面陣CCD測試系統(tǒng)，在此不再贅述。

與其他表面形貌測試技術(shù)相比，該測試系統(tǒng)具有快速、非接觸、可在線測量等的優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛應(yīng)用。

(1)設(shè)備用途

為了控制產(chǎn)品質(zhì)量和分析研究，如涂布表面缺陷的在線測量、卷繞工藝的overhang和對齊度的在線測量、疊片工藝的overhang和對齊度的在線測量、鋁殼表面缺陷的在線測量等。

(2)工作原理

CCD測試系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 CCD測試系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)采集部分采用CCD攝像機(jī)配合鏡頭，在適當(dāng)?shù)木嚯x下被置于被測物正上方進(jìn)行圖像采集。

因?yàn)橥坎己髽O片表面會對直射光源有較強(qiáng)的反光，所以光源應(yīng)放在攝像機(jī)的側(cè)面。采用兩個(gè)光源從兩側(cè)照射，是為了使光源在傾斜的角度照射極片表面的情況下依舊可以得到均勻的光照，有利于采集到清晰的圖像。采集到的圖像上傳處理單元，借助圖像處理相關(guān)技術(shù)，可以得到表面缺陷的相關(guān)參數(shù)。

CCD測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖見圖4。

圖4 CCD測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

CCD測試系統(tǒng)檢測到的表面缺陷例圖見圖5。

圖5 CCD測試系統(tǒng)檢測到的表面缺陷例圖

電芯內(nèi)部檢測與設(shè)備

下面介紹電芯內(nèi)部檢測與控制設(shè)備及系統(tǒng)，主要包含以下幾部分：

①X-CT技術(shù)及測試系統(tǒng)；

②超聲檢測系統(tǒng)；

③紅外熱成像檢測系統(tǒng)；

④植入式感知系統(tǒng)。

1，X-CT技術(shù)及測試系統(tǒng)

X射線斷層成像技術(shù)（X-ray compute tomography，簡稱X-CT技術(shù)），是基于X光源和射線聚焦技術(shù)的顯微技術(shù)、斷層掃描技術(shù)和圖像處理技術(shù)的集成技術(shù)。

該技術(shù)借助穿透性強(qiáng)的X射線，可以獲得較高的空間分辨率，可以對電芯和電池電極層、內(nèi)部缺陷、焊接質(zhì)量等進(jìn)行無損傷三維成像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)原位檢測。

在電池制造工藝中，X-CT技術(shù)既作為離線分析技術(shù)用，也作為在線質(zhì)量管控手段用。

X-CT在線測試系統(tǒng)見圖6。

圖6 X-CT在線測試系統(tǒng)

(1)設(shè)備用途

對電芯和電池電極層、內(nèi)部缺陷、焊接質(zhì)量等進(jìn)行無損傷三維成像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)原位檢測。

(2)工作原理

X-CT裝置及掃描結(jié)果見圖7。

圖7 X-CT裝置及掃描結(jié)果示意圖

設(shè)有n個(gè)厚度為l的小立方體體素，如圖8所示，每個(gè)小立方體近似地認(rèn)為是均勻的介質(zhì)，X射線透過時(shí)，衰減系數(shù)分別為μ1，μ2，…，μn，入射X射線的強(qiáng)度為I0。

圖8 X射線在n個(gè)體素中的衰減示意圖

則X射線穿過第n個(gè)體素后的強(qiáng)度以式(1)計(jì)算：

(1)

經(jīng)過適當(dāng)變換，可得式(2)，該式為X-CT建立斷層圖像的主要依據(jù)。

(2)

(3)

式中 μw——參考衰減系數(shù)，通常取水在X射線光子能量為73keV時(shí)的線性衰減系數(shù)。

只要求出體素矩陣中每個(gè)體素的衰減系數(shù)，由衰減系數(shù)計(jì)算CT值的公式見式(3)，根據(jù)CT值大小建立斷層圖像，圖像中每個(gè)像素灰度的強(qiáng)弱是根據(jù)CT值的大小確定的。

基于X-CT技術(shù)獲得的圖像，借助圖像分析技術(shù)，可以獲取電芯和電池電極層、內(nèi)部缺陷、焊接質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)。

2，超聲檢測系統(tǒng)

在鋰電行業(yè)中使用的超聲檢測系統(tǒng)多數(shù)采用空氣耦合超聲波。該技術(shù)具有非接觸、無污染和無損等優(yōu)點(diǎn)。

(1)設(shè)備用途

對鋰電池內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，如電解液分布是否均勻、焊接質(zhì)量、是否存在空氣層、是否內(nèi)部打折、是否有異物等。

(2)工作原理

超聲波在被檢測材料中傳播時(shí)，會與材料發(fā)生作用，例如會發(fā)生反射、折射和透射等現(xiàn)象，從聲波的這些特性中可以分辨出被測工件的相關(guān)內(nèi)部特征。

空氣耦合超聲波技術(shù)，就是把空氣當(dāng)作耦合劑的技術(shù)，借助高功率超聲波發(fā)射接收器、高靈敏度空氣耦合聲波探頭以及高信噪比的信號增幅器，完成電芯電池內(nèi)部特征的檢測。

空氣耦合超聲檢測鋰電池的系統(tǒng)框圖見圖9。

圖9 空氣耦合超聲檢測鋰電池的系統(tǒng)框圖

首先通過高功率信號發(fā)生器激勵發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)過鋰電池后被接收探頭獲取，再經(jīng)放大器對信號進(jìn)行濾波放大，被信號接收器接收，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過控制電機(jī)運(yùn)動控制器和掃描架來實(shí)現(xiàn)特定參數(shù)的掃描任務(wù)，最后形成相關(guān)的掃描圖像，實(shí)現(xiàn)對鋰電池的檢測。

3，紅外熱成像檢測系統(tǒng)

紅外熱成像檢測系統(tǒng)是基于紅外熱像儀測量鋰電池的涂布、電芯和成品電池的溫度情況。把被測表面的溫升以圖像形式展現(xiàn)出來，測得的不是單一點(diǎn)的溫度變化，而是測表面各個(gè)點(diǎn)的溫度，有異常溫度變化的部位在熱像圖中很容易看出，綜合電性能測試，可以對被測對象做直觀的檢測和判斷。

(1)設(shè)備用途

測量鋰電池的涂布、電芯和成品電池的溫度情況。

(2)工作原理

利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量，并以分布圖形的形式反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。通俗地講，紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒嵯駡D。熱像圖的不同顏色代表被測物體的不同溫度。

熱像儀的工作原理圖如10所示。

圖10 熱像儀工作原理圖

在工程應(yīng)用中，可以利用紅外成像技術(shù)同時(shí)檢測電極的涂布量（面密度）和電極的孔隙率。

其原理示意圖如圖11所示。

圖11 紅外熱成像技術(shù)測量涂布質(zhì)量原理示意圖

其原理是，將電極經(jīng)過短暫加熱，然后利用紅外相機(jī)對電極的溫度進(jìn)行檢測。分析認(rèn)為，電極溫度的升高受到電極孔隙率和涂布量（厚度）的雙重影響，通過對電極溫度升高的參數(shù)進(jìn)行逆推導(dǎo)，配合實(shí)時(shí)的電極厚度測量，進(jìn)而獲得電極孔隙率等參數(shù)。實(shí)物圖如圖12所示。

圖12 紅外熱成像技術(shù)測量涂布質(zhì)量實(shí)物圖

4，植入式感知系統(tǒng)

植入式感知系統(tǒng)，又稱儲能鋰離子電池智能傳感技術(shù)，主要是通過在電池內(nèi)部嵌入傳感裝置，利用引線封口或無線傳輸?shù)仁侄?，?shí)現(xiàn)對鋰離子電池內(nèi)部信息，如溫度、壓力等的實(shí)時(shí)檢測。電池在發(fā)生熱失控或大電流充放電等工況下，進(jìn)行植入式感知，有利于更有效地評價(jià)電池內(nèi)部狀況。目前，主要以溫度傳感器為主。植入式溫度傳感器主要有三種：熱電偶、熱電阻和光纖傳感器。

(1)系統(tǒng)用途

基于單體電池內(nèi)部和外部的在線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，建立從單體鋰離子電池到儲能系統(tǒng)的智能管理系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)介紹

植入式熱電偶傳感器在鋰電池中的應(yīng)用是，將熱電偶植入電池內(nèi)部，研究電池在不同工況下的溫度情況。

薄膜式熱電偶植入感知技術(shù)示意圖如圖13所示。

圖13 薄膜式熱電偶植入感知技術(shù)示意圖

該內(nèi)置感知系統(tǒng)，基于內(nèi)部電化學(xué)環(huán)境及磁控濺射手段完成了多點(diǎn)式柔性薄膜傳感器的制造，并實(shí)現(xiàn)植入式傳感器與電池的一體化集成，通過循環(huán)性能和交流阻抗的測試，實(shí)現(xiàn)了對單體電芯內(nèi)部溫度的檢測，可用于建立從單體鋰離子電池到儲能系統(tǒng)的智能管理系統(tǒng)。