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)廣泛應用于我們的日常生活中。尤其是近年來(lái), 新能源汽車(chē)、儲能電站的快速發(fā)展, 鋰離子電池的用量超乎想象，一臺新能源汽車(chē)集成了幾千個(gè)電池，達幾百公斤，巨量的電池集中在一起，安全問(wèn)題就尤為重要。近年來(lái)鋰電池電動(dòng)車(chē)、汽車(chē)和儲能電站均發(fā)生過(guò)燃爆事故，因此，鋰電池質(zhì)量、安全等方面的研究越來(lái)越被人們重視，對鋰電池的質(zhì)檢技術(shù)也提出了更高的要求，這涵蓋了正負極材料、隔膜、銅箔、鋁箔，甚至外包裝材料。

     歐波同集團長(cháng)期從事光鏡、電鏡領(lǐng)域的微觀(guān)分析工作，通過(guò)和廣大客戶(hù)的交流，我們發(fā)現現在客戶(hù)的微分析存在效率低、人的主觀(guān)因素影響大、非標準化等問(wèn)題，為此我們成立了匯鴻科技公司，利用智能化軟件實(shí)現顯微分析的自動(dòng)化、標準化。

一、鋰離子電池材料顯微智能分析系統(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(chēng)，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動(dòng)來(lái)工作。由于材料加工過(guò)程中的缺陷，鋰電池在使用或儲存過(guò)程中仍會(huì )出現一定概率的失效^[1]，例如，多孔電極在充放電過(guò)程中發(fā)生體積膨脹和收縮，導致顆粒逐漸出現裂紋，這些裂紋沿著(zhù)原有缺陷萌生和擴展，導致材料出現機械斷裂和電極結構解體，造成電極材料粉化。這些材料的失效嚴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

     針對鋰電池使用過(guò)程中產(chǎn)生的各種失效問(wèn)題，匯鴻智能科技為客戶(hù)量身定制了專(zhuān)屬軟件，滿(mǎn)足客戶(hù)所有需求，采用先進(jìn)AI技術(shù)及圖像處理技術(shù)，可快速準確進(jìn)行單晶團聚識別、開(kāi)裂球識別、二次球顆粒分布均勻性判斷、截面孔隙統計、隔膜孔隙統計等鋰電池材料分析。

1）識別：

     通常在制備三元正極材料時(shí)，采用共沉淀法^[2]使納米級一次粒子團聚堆積成球形二次粒子，但這種堆積結構容易形成裂紋，導致電池性能衰減。

圖二：軟件智能區分開(kāi)裂球和普通球

    通過(guò)匯鴻LIBMAS，可快速統計并計算開(kāi)裂球占比，獲得開(kāi)裂球裂縫信息，從而改善工藝條件，如圖二。

正極顆粒內部通常是二次球顆粒形成的多晶結構，我們將二次球顆粒拋開(kāi)，發(fā)現循環(huán)充放電后的顆粒截面出現大量裂痕，如圖三。使用LIBMAS對截面孔隙進(jìn)行識別，快速獲得截面孔隙結果。

圖三：二次球截面孔隙識別

2）團聚體顆粒識別:

     正極三元顆粒通常需要在高溫純氧下進(jìn)行燒結，燒結而成的三元產(chǎn)品一般具有典型的團聚體形貌，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。以往采用人工統計分析，需要在SEM成像后，手動(dòng)逐個(gè)測量，工作量大，而且存在人為測量的誤差；采用匯鴻智能分析軟件，則可以一鍵操作，簡(jiǎn)化流程，在短時(shí)間內快速獲得標準化的統計結果，如圖四。

圖四：一次顆粒團聚形成的二次球顆粒識別

     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?？梢钥s短鋰離子固相擴散路徑，內部多孔顆?？梢蕴峁└嗟匿囯x子遷移通道。但是粒徑過(guò)小會(huì )導致庫侖效率和充填密度低下,影響整體電池的容量。通過(guò)匯鴻LIBMAS可高效識別一次顆粒大?。ㄩL(cháng)、寬、周長(cháng)、面積等）以及分布情況，如圖五。

圖五：軟件自動(dòng)區分團聚顆粒及團聚顆粒截面

3）單晶顆粒識別：

     相對于單獨的納米粒子，團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)。然而在團聚體反復充放電過(guò)程中，電極不斷膨脹和收縮，內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(kāi)始從晶體結構本身出發(fā)，探究單晶三元正極材料的性能，結果表明單晶三元具有更好的機械強度，從而抑制顆粒破碎，在高溫循環(huán)方面也具有更好的熱穩定性。諸如此類(lèi)的研究都需要準確識別出單晶顆粒及其內部分布情況，匯鴻科技LIBMAS可以自動(dòng)識別團聚顆粒中輪廓清晰的單晶顆粒，并測量、統計其直徑，如圖六。

圖六：?jiǎn)尉ьw粒的識別

4）大小二次球識別：

     除此之外，匯鴻LIBMAS還可以精準識別圖像上所有大二次球顆粒與小顆粒，根據面積判斷計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別和統計

5）隔膜孔隙率統計：

     鋰電池隔膜作為鋰電池的重要組成部分，是具有納米級微孔結構的高分子功能材料，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(guò)。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(guān)測，但僅靠肉眼觀(guān)測圖片，對孔隙率的表征存在一定誤差且效率低下。因此，若要更準確形象地獲得材料的孔隙率，需要將圖像處理軟件與SEM 結合，以實(shí)現隔膜孔隙分布及其定量分析的需求。

圖八：隔膜孔隙識別及孔隙率統計

     匯鴻LIBMAS可以快速獲取隔膜的孔隙率信息，檢測隔膜孔隙率、孔隙直徑及纖維直徑并統計分析，從而形象地描述隔膜表面的結構細節，提高鋰電池隔膜孔隙率評定的準確性，如圖九。

二、鋰離子電池異物分析系統（LIBIAS）

     目前行業(yè)對鋰電正極材料中金屬及磁性異物的分類(lèi)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(guò)程中產(chǎn)生。為了有效控制鋰離子電池正負極材料中非金屬/金屬/磁性異物的含量，一般會(huì )使用專(zhuān)業(yè)的設備與軟件對初篩后的原材料中異物顆粒進(jìn)行形貌與成分統計。行業(yè)內以往使用光鏡或手動(dòng)測量的方法，然而這些傳統檢測方式往往在數據結果的準確性、全面性、一致性上有或多或少的不足，給精確檢測帶來(lái)比較大的挑戰。目前，鋰電池材料中異物顆粒的檢測主要面臨的問(wèn)題有：1）異物來(lái)源廣、溯源難，2）數據量大、費時(shí)費力，3）顆粒易團聚、識別難度高。

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：濾膜上的顆粒團聚現象

     針對傳統軟件的不足，歐波同集團旗下的匯鴻科技公司開(kāi)發(fā)了“鋰離子電池異物分析系統"（LIBIAS）。這是集準確、高效和易操作功能為一體的全自動(dòng)清潔度分析系統，可以實(shí)現高清BSE圖像采集拍攝和圖像處理、元素定量測試等功能。包括：1）簡(jiǎn)易上手的測試程序，2）開(kāi)放的標準庫編輯系統，3）一鍵生成對應報告圖表。

圖四：顆粒類(lèi)型占比餅狀圖（左），三元統計相圖（右）

     匯鴻智能科技是一家專(zhuān)注于工業(yè)領(lǐng)域微觀(guān)智能圖像分析應用解決方案服務(wù)商。以“堅持原創(chuàng )，用信息技術(shù)工業(yè)分析"為愿景，可以為用戶(hù)提供全場(chǎng)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(LIBMAS)"和“鋰離子電池異物分析系統（LIBIAS）"，將高分辨性能的掃描電鏡與智能化的分析軟件相結合，解決從鋰電原材料，到正負極極片、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(kāi)發(fā)出性能更*的鋰電產(chǎn)品。

參考文獻：

[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用[M].

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

[5] 肖建偉, 劉良彬, 符澤衛, 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(guò)程控制的研究[J].世界有色金屬,2021(17):166-168.