如何在電池電極片制造和電池組裝的檢驗(yàn)和質(zhì)量控制中檢測(cè)毛刺并確定其潛在的破壞風(fēng)險(xiǎn)
毛刺是電池電極片邊緣可能出現(xiàn)的缺陷，例如在制造過(guò)程中的分切環(huán)節(jié)。它們可能會(huì)因諸如短路等故障導(dǎo)致電池性能下降，并引發(fā)安全和可靠性問(wèn)題。毛刺檢測(cè)是電池生產(chǎn)質(zhì)量控制的重要部分，對(duì)于生產(chǎn)具有可靠性能和壽命的電池至關(guān)重要。通過(guò)適當(dāng)照明的光學(xué)顯微鏡可以在生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵步驟中快速可靠地對(duì)電極上的毛刺進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)。
電池電極片毛刺檢測(cè)
毛刺是電池電極片邊緣不需要的金屬突起，通常是由于電池制造過(guò)程中分離工序的分切或集流體的焊接造成的。毛刺可能有害，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)撕裂或劃破電極的隔膜層。這可能導(dǎo)致電池的正極（陰極）和負(fù)極（陽(yáng)極）之間發(fā)生熱失控和短路等問(wèn)題 [1,2]。因此，在電池生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)行高效的在線檢測(cè)以發(fā)現(xiàn)和分析毛刺至關(guān)重要。
為什么需要進(jìn)行毛刺檢測(cè)？
如上所述，毛刺可能導(dǎo)致電池性能下降甚至失效，因此必須在制造過(guò)程中仔細(xì)檢查其存在。由于工具的不對(duì)準(zhǔn)或磨損，在電池生產(chǎn)的分切和電極成型過(guò)程中很難避免毛刺的產(chǎn)生（參見(jiàn)圖1的電池電極制造和電池組裝）。因此，毛刺檢測(cè)和分析是檢查和質(zhì)量控制的關(guān)鍵部分 [1-3]。
電池生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制（QC）需要在電池組件生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟中進(jìn)行目視檢查，以確保符合規(guī)格。
圖1：顯示了電池生產(chǎn)的各個(gè)步驟的示意圖，包括電極片制造、電池組裝和電池完成。在分切和電極片成型過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生毛刺。
在制造過(guò)程中檢測(cè)電池電極片邊緣的毛刺非常重要，因?yàn)榫哂刑囟ù笮〉拿炭赡軙?huì)損壞陽(yáng)極和陰極電極之間的隔膜，并導(dǎo)致短路（參見(jiàn)圖2）。因此，必須分析它們的大小，以確定它們是否具有較低的或較高的對(duì)電池系統(tǒng)造成損害的可能性。IEEE 1625標(biāo)準(zhǔn)[4]的第5.3.6.2節(jié)建議測(cè)量毛刺并將其與隔膜厚度公差限值進(jìn)行比較。毛刺檢查通常是通過(guò)使用光學(xué)顯微鏡觀察電極片的邊緣或側(cè)面來(lái)進(jìn)行的。
圖2：鋰離子電池橫截面示意圖，顯示了陰極（正極）和陽(yáng)極（負(fù)極）電極上的毛刺延伸到隔膜中，其中“pd"表示穿透距離。
如果在檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)具有關(guān)鍵長(zhǎng)度的毛刺，那么可能需要調(diào)整一些工藝，并需要檢查、調(diào)整或更換諸如滾刀等工具，然后才能進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)。
毛刺檢測(cè)和分析的方法
對(duì)電池電極片和其他組件上的毛刺進(jìn)行高效、可靠的檢測(cè)和分析至關(guān)重要。這可以通過(guò)在電池生產(chǎn)過(guò)程中使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行在線目視檢查來(lái)實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵毛刺的尺寸判斷很大程度上決定了所需光學(xué)顯微鏡的性能水平。
適當(dāng)?shù)娘@微鏡應(yīng)確?？焖?、高效、可靠和準(zhǔn)確的毛刺檢測(cè)。需要考慮的一些重要因素是照明和對(duì)比度方法、分辨率、放大倍數(shù)、圖像的快速捕獲和存儲(chǔ)、輕松訪問(wèn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以及實(shí)用測(cè)量工具的可用性 [5,6,7]。
在電池生產(chǎn)過(guò)程中選擇適當(dāng)?shù)恼彰鱽?lái)檢測(cè)毛刺可能很重要。根據(jù)毛刺的大小，可以使用不同的照明方法[7]，如環(huán)形光、近垂直光、漫射光和偏振光，以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確和可靠的檢測(cè)。偏振光有助于在觀察電極邊緣時(shí)提高與背景的對(duì)比度。漫射照明可能減少金屬毛刺產(chǎn)生的眩光，簡(jiǎn)化檢測(cè)過(guò)程。檢測(cè)顯微鏡還應(yīng)提供對(duì)存儲(chǔ)的毛刺圖像和測(cè)量數(shù)據(jù)的輕松訪問(wèn)。
為了使檢測(cè)顯微鏡在電極片檢測(cè)過(guò)程中能夠迅速可靠地檢測(cè)毛刺，它應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：
無(wú)需樣品制備
能夠通過(guò)合適的照明（從多種照明選項(xiàng)中選擇）實(shí)現(xiàn)良好的毛刺良好可視化
通過(guò)易于使用的軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)用且準(zhǔn)確的圖像分析
使檢測(cè)結(jié)果的記錄和分享變得簡(jiǎn)單直接
圖3：一個(gè)電池電極片，其邊緣有毛刺（用紅色箭頭標(biāo)記）。該圖像是用DVM6數(shù)碼顯微鏡拍攝的。
使用徠卡檢測(cè)解決方案進(jìn)行毛刺檢測(cè)和分析
用戶可以在徠卡顯微鏡解決方案的幫助下加快生產(chǎn)過(guò)程并提高電池質(zhì)量 [5-7]。適當(dāng)?shù)娘@微鏡取決于需要檢測(cè)的關(guān)鍵毛刺尺寸和檢查類型，例如是在線檢查還是離線檢查。對(duì)于故障分析和研發(fā)，毛刺檢測(cè)也可能是必要的。
通常，對(duì)于可靠且高效的在線檢查，關(guān)于檢測(cè)大于15µm的毛刺，Emspira 3數(shù)碼顯微鏡會(huì)是一個(gè)很好的選擇。Emspira 3可用于高效的在線檢查。
圖4：確定電池電極片邊緣毛刺的長(zhǎng)度：使用DVM6數(shù)碼顯微鏡僅使用環(huán)形光（A）和帶有交叉偏振器的環(huán)形光以減少眩光（B）獲取的毛刺圖像。
對(duì)于快速且可靠的在線和離線檢查，以檢測(cè)大于2µm的毛刺，DVM6數(shù)碼顯微鏡更為合適，因?yàn)樗峁┝烁叩姆直媛屎头糯蟊稊?shù)。涉及故障分析和研發(fā)過(guò)程中毛刺檢測(cè)的應(yīng)用也可以用DVM6來(lái)解決。
在某些情況下，即使是小到0.6µm的毛刺，無(wú)論是在線檢查還是離線檢查、故障分析或研發(fā)，都可能需要檢測(cè)和分析。對(duì)于這種需求，DM8000 M或DM12000 M復(fù)合顯微鏡可以提供所需性能。
總結(jié)與結(jié)論
電池生產(chǎn)過(guò)程中毛刺的檢測(cè)是質(zhì)量控制（QC）的重要部分。電池電極片上的毛刺可能導(dǎo)致短路、熱失控以及電池性能和壽命的降低。因此，快速準(zhǔn)確地識(shí)別可能損壞電池系統(tǒng)的毛刺是維持所需電池性能并最小化故障風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。這也有助于減少浪費(fèi)，例如電極材料，并提高效率和成本效益。結(jié)合適當(dāng)選擇的照明方式的光學(xué)顯微鏡可以提供一種快速可靠的方法來(lái)識(shí)別和分析毛刺。
參考資料：
相關(guān)產(chǎn)品
Leica DVM6 超景深數(shù)碼顯微鏡
Leica Emspira 3 數(shù)碼顯微鏡
Leica DM8000 M 工業(yè)顯微鏡
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