歐波同鋰離子電池顯微智能分析解決方案

鋰離子電池因其清潔、能量密度高、循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中。尤其是近年來, 新能源汽車、儲(chǔ)能電站的快速發(fā)展, 鋰離子電池的用量超乎想象，一臺(tái)新能源汽車集成了幾千個(gè)電池，達(dá)幾百公斤，巨量的電池集中在一起，安全問題就尤為重要。近年來鋰電池電動(dòng)車、汽車和儲(chǔ)能電站均發(fā)生過燃爆事故，因此，鋰電池質(zhì)量、安全等方面的研究越來越被人們重視，對(duì)鋰電池的質(zhì)檢技術(shù)也提出了更高的要求，這涵蓋了正負(fù)極材料、隔膜、銅箔、鋁箔，甚至外包裝材料。

     歐波同集團(tuán)長期從事光鏡、電鏡領(lǐng)域的微觀分析工作，通過和廣大客戶的交流，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在客戶的微分析存在效率低、人的主觀因素影響大、非標(biāo)準(zhǔn)化等問題，為此我們成立了匯鴻科技公司，利用智能化軟件實(shí)現(xiàn)顯微分析的自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化。

一、鋰離子電池材料顯微智能分析系統(tǒng)(LIBMAS)

     鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為電極材料電池的總稱，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。由于材料加工過程中的缺陷，鋰電池在使用或儲(chǔ)存過程中仍會(huì)出現(xiàn)一定概率的失效^[1]，例如，多孔電極在充放電過程中發(fā)生體積膨脹和收縮，導(dǎo)致顆粒逐漸出現(xiàn)裂紋，這些裂紋沿著原有缺陷萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致材料出現(xiàn)機(jī)械斷裂和電極結(jié)構(gòu)解體，造成電極材料粉化。這些材料的失效嚴(yán)重降低了鋰電池的使用性能，影響其使用的可靠性和安全性。

圖一：匯鴻鋰離子電池顯微智能分析系統(tǒng)

     針對(duì)鋰電池使用過程中產(chǎn)生的各種失效問題，匯鴻智能科技為客戶量身定制了專屬軟件，滿足客戶所有需求，采用先進(jìn)AI技術(shù)及圖像處理技術(shù)，可快速準(zhǔn)確進(jìn)行單晶團(tuán)聚識(shí)別、開裂球識(shí)別、二次球顆粒分布均勻性判斷、截面孔隙統(tǒng)計(jì)、隔膜孔隙統(tǒng)計(jì)等鋰電池材料分析。

1）識(shí)別：

     通常在制備三元正極材料時(shí)，采用共沉淀法^[2]使納米級(jí)一次粒子團(tuán)聚堆積成球形二次粒子，但這種堆積結(jié)構(gòu)容易形成裂紋，導(dǎo)致電池性能衰減。

圖二：軟件智能區(qū)分開裂球和普通球

    通過匯鴻LIBMAS，可快速統(tǒng)計(jì)并計(jì)算開裂球占比，獲得開裂球裂縫信息，從而改善工藝條件，如圖二。

正極顆粒內(nèi)部通常是二次球顆粒形成的多晶結(jié)構(gòu)，我們將二次球顆粒拋開，發(fā)現(xiàn)循環(huán)充放電后的顆粒截面出現(xiàn)大量裂痕，如圖三。使用LIBMAS對(duì)截面孔隙進(jìn)行識(shí)別，快速獲得截面孔隙結(jié)果。

圖三：二次球截面孔隙識(shí)別

2）團(tuán)聚體顆粒識(shí)別:

     正極三元顆粒通常需要在高溫純氧下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)而成的三元產(chǎn)品一般具有典型的團(tuán)聚體形貌，即由粒徑約幾百納米的一次粒子組成的，在幾個(gè)到十幾個(gè)微米之間的二次球顆粒。以往采用人工統(tǒng)計(jì)分析，需要在SEM成像后，手動(dòng)逐個(gè)測(cè)量，工作量大，而且存在人為測(cè)量的誤差；采用匯鴻智能分析軟件，則可以一鍵操作，簡化流程，在短時(shí)間內(nèi)快速獲得標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖四。

圖四：一次顆粒團(tuán)聚形成的二次球顆粒識(shí)別

     電極材料的顆粒尺寸影響電池的容量、倍率性能和循環(huán)性能^[3]。小尺寸顆粒可以縮短鋰離子固相擴(kuò)散路徑，內(nèi)部多孔顆粒可以提供更多的鋰離子遷移通道。但是粒徑過小會(huì)導(dǎo)致庫侖效率和充填密度低下,影響整體電池的容量。通過匯鴻LIBMAS可高效識(shí)別一次顆粒大小（長、寬、周長、面積等）以及分布情況，如圖五。

圖五：軟件自動(dòng)區(qū)分團(tuán)聚顆粒及團(tuán)聚顆粒截面

3）單晶顆粒識(shí)別：

     相對(duì)于單獨(dú)的納米粒子，團(tuán)聚體顆粒具有比表面積小，顆粒流動(dòng)性好，壓實(shí)密度高和電極漿料可加工性好等優(yōu)點(diǎn)。然而在團(tuán)聚體反復(fù)充放電過程中，電極不斷膨脹和收縮，內(nèi)部顆粒十分容易破碎。相比易產(chǎn)生顆粒粉碎的多晶正極材料，許多研究^[4,5]已經(jīng)開始從晶體結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，探究單晶三元正極材料的性能，結(jié)果表明單晶三元具有更好的機(jī)械強(qiáng)度，從而抑制顆粒破碎，在高溫循環(huán)方面也具有更好的熱穩(wěn)定性。諸如此類的研究都需要準(zhǔn)確識(shí)別出單晶顆粒及其內(nèi)部分布情況，匯鴻科技LIBMAS可以自動(dòng)識(shí)別團(tuán)聚顆粒中輪廓清晰的單晶顆粒，并測(cè)量、統(tǒng)計(jì)其直徑，如圖六。

圖六：單晶顆粒的識(shí)別

4）大小二次球識(shí)別：

     除此之外，匯鴻LIBMAS還可以精準(zhǔn)識(shí)別圖像上所有大二次球顆粒與小顆粒，根據(jù)面積判斷計(jì)算大顆粒與小顆粒分布的均勻性。如圖七。

圖七：大小二次球顆粒分布均勻性識(shí)別和統(tǒng)計(jì)

5）隔膜孔隙率統(tǒng)計(jì)：

     鋰電池隔膜作為鋰電池的重要組成部分，是具有納米級(jí)微孔結(jié)構(gòu)的高分子功能材料，其主要功能是防止兩極接觸而發(fā)生短路，同時(shí)使電解質(zhì)離子通過。相關(guān)研究證實(shí)^[6]，隔膜的微孔孔徑分布越均勻，電池的電性能越優(yōu)異。

     孔徑的分布主要采用掃描電子顯微鏡( SEM) 進(jìn)行觀測(cè)，但僅靠肉眼觀測(cè)圖片，對(duì)孔隙率的表征存在一定誤差且效率低下。因此，若要更準(zhǔn)確形象地獲得材料的孔隙率，需要將圖像處理軟件與SEM 結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)隔膜孔隙分布及其定量分析的需求。

圖八：隔膜孔隙識(shí)別及孔隙率統(tǒng)計(jì)

     匯鴻LIBMAS可以快速獲取隔膜的孔隙率信息，檢測(cè)隔膜孔隙率、孔隙直徑及纖維直徑并統(tǒng)計(jì)分析，從而形象地描述隔膜表面的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，提高鋰電池隔膜孔隙率評(píng)定的準(zhǔn)確性，如圖九。

二、鋰離子電池異物分析系統(tǒng)（LIBIAS）

     目前行業(yè)對(duì)鋰電正極材料中金屬及磁性異物的分類主要有以下三個(gè)方面：金屬及非金屬大顆粒、磁性異物、Cu/Zn單質(zhì)^[7]。異物引入的方式有原材料帶入和制造過程中產(chǎn)生。為了有效控制鋰離子電池正負(fù)極材料中非金屬/金屬/磁性異物的含量，一般會(huì)使用專業(yè)的設(shè)備與軟件對(duì)初篩后的原材料中異物顆粒進(jìn)行形貌與成分統(tǒng)計(jì)。行業(yè)內(nèi)以往使用光鏡或手動(dòng)測(cè)量的方法，然而這些傳統(tǒng)檢測(cè)方式往往在數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性、全面性、一致性上有或多或少的不足，給精確檢測(cè)帶來比較大的挑戰(zhàn)。目前，鋰電池材料中異物顆粒的檢測(cè)主要面臨的問題有：1）異物來源廣、溯源難，2）數(shù)據(jù)量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，3）顆粒易團(tuán)聚、識(shí)別難度高。

圖一：同一顆粒分別在光學(xué)顯微鏡（左）、電子顯微鏡（右）下的圖像及EDS能譜識(shí)別顆粒主要成分為Fe

圖二：電鏡圖像下濾膜上所有顆粒分布情況

圖三：濾膜上的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象

     針對(duì)傳統(tǒng)軟件的不足，歐波同集團(tuán)旗下的匯鴻科技公司開發(fā)了“鋰離子電池異物分析系統(tǒng)"（LIBIAS）。這是集準(zhǔn)確、高效和易操作功能為一體的全自動(dòng)清潔度分析系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高清BSE圖像采集拍攝和圖像處理、元素定量測(cè)試等功能。包括：1）簡易上手的測(cè)試程序，2）開放的標(biāo)準(zhǔn)庫編輯系統(tǒng)，3）一鍵生成對(duì)應(yīng)報(bào)告圖表。

圖四：顆粒類型占比餅狀圖（左），三元統(tǒng)計(jì)相圖（右）

     匯鴻智能科技是一家專注于工業(yè)領(lǐng)域微觀智能圖像分析應(yīng)用解決方案服務(wù)商。以“堅(jiān)持原創(chuàng)，用信息技術(shù)工業(yè)分析"為愿景，可以為用戶提供全場景的鋰電池智能化顯微分析解決方案。匯鴻智能科技研發(fā)的"鋰離子電池材料顯微智能分析系統(tǒng)(LIBMAS)"和“鋰離子電池異物分析系統(tǒng)（LIBIAS）"，將高分辨性能的掃描電鏡與智能化的分析軟件相結(jié)合，解決從鋰電原材料，到正負(fù)極極片、隔膜，鋰電清潔度全系列的鋰離子電池相關(guān)分析，助力研究人員開發(fā)出性能更*的鋰電產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1] Wang Qi-Yu, Wang Shuo, Zhou Ge, Zhang Jie-Nan, Zheng Jie-Yun, Yu Xi-Qian, Li Hong. Progress on the failure analysis of lithium battery. Acta Phys. Sin., 2018, 67(12): 128501. doi: 10.7498/aps.67.20180757.

[2] doi.org/10.1016/j.powtec.2009.12.002

[3] 楊紹斌，梁正. 鋰離子電池制造工藝原理與應(yīng)用[M].

[4] science.org/doi/abs/10.1126/science.abc3167.

[5] 肖建偉, 劉良彬, 符澤衛(wèi), 等. 單晶LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂ 三元正極材料研究進(jìn)展[J]. 電池工業(yè), 2017, 21(2): 51-54.

[6] 毛繼勇，許漢良．鋰離子電池用隔膜孔隙率對(duì)電池性能的影響［J］.廣州化工，2018,46( 14) : 78-80．

[7] 惠升,詹永麗,黎江.鋰電正極材料金屬及磁性異物過程控制的研究[J].世界有色金屬,2021(17):166-168.