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1. 引言

鋰電池作為現(xiàn)代電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)的核心能源，其性能和穩(wěn)定性直接影響產(chǎn)品的可靠性和安全性。隨著全球?qū)η鍧嵞茉春碗妱?dòng)化需求的不斷增加，鋰電池的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，從消費(fèi)電子到電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域，鋰電池的重要性日益凸顯。然而，鋰電池的性能和安全性高度依賴(lài)于其制造工藝的穩(wěn)定性。工藝穩(wěn)定性檢測(cè)是確保鋰電池高質(zhì)量生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涵蓋原材料、生產(chǎn)過(guò)程及最終產(chǎn)品的全面檢測(cè)。通過(guò)科學(xué)的檢測(cè)手段和嚴(yán)格的質(zhì)量控制，可以有效提升鋰電池的性能一致性、安全性和使用壽命。鋰電池的性能一致性是其在規(guī)?；瘧?yīng)用中取得成功的關(guān)鍵。無(wú)論是消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車(chē)還是儲(chǔ)能系統(tǒng)，電池組通常由成百上千個(gè)單體電池組成。如果單體電池的性能不一致，會(huì)導(dǎo)致電池組的整體性能下降，甚至引發(fā)安全隱患。工藝穩(wěn)定性檢測(cè)通過(guò)嚴(yán)格控制原材料、生產(chǎn)過(guò)程和成品的質(zhì)量，確保每個(gè)單體電池在容量、內(nèi)阻、電壓等關(guān)鍵參數(shù)上高度一致，從而提升電池組的整體性能和可靠性。

圖1.電池組及電池異常示意圖

2. 檢測(cè)內(nèi)容與方法

2.1 原材料檢測(cè)

原材料的質(zhì)量直接影響電池性能，其中正極材料是鋰電池的核心組成部分，其性能直接決定電池的能量密度和循環(huán)壽命。原材料部分已把鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等正極材料的純度、粒徑分布、比表面積、晶體結(jié)構(gòu)、壓實(shí)密度及電阻率等作為質(zhì)量評(píng)估的關(guān)鍵性指標(biāo)。檢測(cè)負(fù)極石墨、硅碳復(fù)合材料等負(fù)極材料的壓實(shí)密度、電阻率、結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能和機(jī)械強(qiáng)度等指標(biāo)也是保證電池的充放電性能和安全性至關(guān)重要。電解液是鋰電池中離子傳輸?shù)慕橘|(zhì)，其性能直接影響電池的內(nèi)阻和安全性。電解液部分其成分、純度、電導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性的測(cè)定是當(dāng)前電解液質(zhì)量監(jiān)控的關(guān)鍵性指標(biāo)。隔膜是電池中的關(guān)鍵安全組件，其性能直接影響電池的短路風(fēng)險(xiǎn)和熱穩(wěn)定性。檢測(cè)隔膜的厚度、孔隙率、機(jī)械強(qiáng)度、熱收縮率及離子導(dǎo)通能力是其性能檢測(cè)的關(guān)鍵性指標(biāo)。

如圖2左為PRCD系列粉末電阻率及壓實(shí)密度檢測(cè)系列方案示意圖，正負(fù)極粉體電阻率和壓實(shí)密度的測(cè)定對(duì)鋰離子電池的性能、生產(chǎn)工藝和成本控制至關(guān)重要，是確保電池高性能和高質(zhì)量的關(guān)鍵步驟，在工藝穩(wěn)定性檢測(cè)的原材料層級(jí)已普遍作為關(guān)鍵性測(cè)試指標(biāo)。實(shí)際導(dǎo)入初期需結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)能力或樣品需求確定標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)控指標(biāo)，明確監(jiān)控指標(biāo)后可針對(duì)每批原材料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量監(jiān)控。如圖2右為EIC系列極片迂曲度&離子電導(dǎo)率評(píng)估設(shè)備，其中在原材料隔膜質(zhì)量評(píng)估環(huán)節(jié)，可作為隔膜離子電導(dǎo)率評(píng)估的有效方案。EIC系列方案嚴(yán)格執(zhí)行GB/T 36363-2018的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換氣及自動(dòng)注液，單次下壓可同步實(shí)現(xiàn)1-4層隔膜的EIS測(cè)試，搭載智能化分析軟件，可有效實(shí)現(xiàn)隔膜離子電導(dǎo)率的有效檢測(cè)。

圖2.左：PRCD系列粉末電阻率及壓實(shí)密度檢測(cè)系統(tǒng)示意圖；

右：EIC系列隔膜離子電導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2.2 生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)

生產(chǎn)過(guò)程中的檢測(cè)確保各環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性，主要包括涂布工藝——檢測(cè)涂布厚度和均勻性，涂布工藝是電極制造的關(guān)鍵步驟，涂布的均勻性直接影響電池的性能一致性，極片面密度、壓實(shí)密度、電阻等指標(biāo)均與涂覆均勻度強(qiáng)關(guān)聯(lián)。輥壓工藝——檢測(cè)極片的厚度和輥壓后壓實(shí)密度，輥壓工藝影響電極的機(jī)械強(qiáng)度和電化學(xué)性能。裝配工藝——檢測(cè)電池的裝配精度和密封性，裝配工藝的穩(wěn)定性直接影響電池的安全性和使用壽命。注液工藝——檢測(cè)注液量和電解液分布，注液工藝的精確性影響電池的內(nèi)阻和循環(huán)性能。涂布及輥壓工藝過(guò)程中，極片電導(dǎo)性能的評(píng)估如圖3極片電子電導(dǎo)及離子電導(dǎo)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖，其中電子電導(dǎo)是結(jié)合極片樣品，實(shí)現(xiàn)不同量化壓力下極片電子電導(dǎo)及壓實(shí)密度評(píng)估測(cè)定，當(dāng)前該檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)作為鋰離子電池極片批次穩(wěn)定性監(jiān)控的關(guān)鍵性指標(biāo)。極片的離子電導(dǎo)評(píng)估與鋰離子在極片層級(jí)的有效傳輸路徑息息相關(guān)，當(dāng)前極片離子電導(dǎo)率評(píng)估多通過(guò)組裝對(duì)稱(chēng)電池進(jìn)行EIS測(cè)定的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，EIC系列設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)電池組裝、測(cè)試、分析等的一體化集成，能夠?qū)崿F(xiàn)極片離子電導(dǎo)率的快速評(píng)測(cè)，有效提升極片層級(jí)離子導(dǎo)通一致性的評(píng)估。

圖3.左：BER系列極片電子電導(dǎo)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖；

右：EIC系列極片離子電導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng)示意圖

隨著行業(yè)的快速發(fā)展及新需求的出現(xiàn)，鋰電池工藝穩(wěn)定性檢測(cè)也需要引入一些新的方法及及檢測(cè)系統(tǒng)，其中極片層級(jí)浸潤(rùn)的表征一直是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，如圖4為元能推出的極片浸潤(rùn)檢測(cè)表征系統(tǒng)，其中（A）為毛細(xì)管浸潤(rùn)法，高精度視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)搭載力學(xué)調(diào)控及測(cè)試系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)極片層級(jí)毛細(xì)管浸潤(rùn)效應(yīng)評(píng)測(cè)；（B）和（C）分別為稱(chēng)重法浸潤(rùn)測(cè)試系統(tǒng)和高度法浸潤(rùn)測(cè)試系統(tǒng)，可以從不同維度評(píng)估極片的浸潤(rùn)性能，極片電解液浸潤(rùn)與電池電性能密切相關(guān)，充分浸潤(rùn)可降低內(nèi)阻、提升容量、改善倍率性能和延長(zhǎng)循環(huán)壽命。優(yōu)化浸潤(rùn)工藝是提升電池性能的關(guān)鍵。

圖4.極片浸潤(rùn)性檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.3 成品檢測(cè)

成品檢測(cè)是確保電池出廠質(zhì)量的最后一步，主要包括電性能測(cè)試：檢測(cè)電池的容量、內(nèi)阻、循環(huán)壽命、倍率性能等，電性能測(cè)試是評(píng)估電池性能的核心手段。安全性能測(cè)試：進(jìn)行過(guò)充、過(guò)放、短路、擠壓、針刺、高溫等測(cè)試，安全性能測(cè)試是評(píng)估電池安全性的重要環(huán)節(jié)。環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試：檢測(cè)電池在高低溫、濕度、振動(dòng)等條件下的性能。環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試是評(píng)估電池在實(shí)際使用中可靠性的關(guān)鍵。其中電性能測(cè)試的重要性不言而喻，大家都知道電池組通常由成百上千個(gè)單體電池組成，單體電芯的電性能一致性直接影響電池組的整體性能，甚至使用中的安全性，為進(jìn)一步評(píng)估成品電芯的一致性，設(shè)備的能力需求也逐步提升，當(dāng)前電性能評(píng)估中高精度的充放電設(shè)備更是大家關(guān)注的重點(diǎn)，充放電設(shè)備精度越高，對(duì)電芯差異性識(shí)別的能力越強(qiáng)，可有效為電池組的整體性能保駕護(hù)航。如圖5為元能科技研制的電化學(xué)性能分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備有8個(gè)萬(wàn)分之一精度的充放電測(cè)試通道，以方便研發(fā)人員進(jìn)行上述的失效分析與快速壽命預(yù)測(cè)，同時(shí)，該設(shè)備的ERT7008系列還集成了CV（循環(huán)伏安）和EIS（交流阻抗譜）等電化學(xué)模塊，可將CV或EIS測(cè)試工步同步編入循環(huán)測(cè)試工步內(nèi)，便于客戶(hù)進(jìn)行長(zhǎng)循環(huán)的CV或EIS監(jiān)測(cè)，有效解決用戶(hù)來(lái)回切換測(cè)試設(shè)備或頻繁搬運(yùn)電池的困擾！為進(jìn)一步提升電芯測(cè)試一致性的需求，元能科技在電芯一致性測(cè)試部分也投入了大量的研發(fā)精力，逐步推出了電芯一致性篩查設(shè)備，助力鋰電池工藝穩(wěn)定性檢測(cè)邁入新的臺(tái)階。

圖5.電化學(xué)性能分析系統(tǒng)示意圖

3. 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

鋰電池檢測(cè)需遵循多項(xiàng)國(guó)際和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC62133——便攜式鋰電池安全要求。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋰電池的安全測(cè)試方法和要求。UL1642——鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是北美地區(qū)廣泛認(rèn)可的鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 18287——中國(guó)鋰電池通用規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋰電池的性能和安全要求。UN 38.3——鋰電池運(yùn)輸安全標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋰電池在運(yùn)輸過(guò)程中的安全測(cè)試要求。

4. 檢測(cè)中的常見(jiàn)問(wèn)題與解決方案

4.1 容量衰減

電池容量會(huì)在在使用中逐漸衰減，容量衰減是鋰電池使用中的常見(jiàn)問(wèn)題，尤其是在高倍率充放電和高溫條件下。通常需要優(yōu)化材料配方，改進(jìn)生產(chǎn)工藝。例如，采用高穩(wěn)定性的正極材料和電解液添加劑，優(yōu)化電極設(shè)計(jì)和制造工藝。

4.2 內(nèi)阻增大

電池內(nèi)阻增大影響電池整體性能，內(nèi)阻增大會(huì)導(dǎo)致電池的功率性能下降和發(fā)熱增加。通常需要改進(jìn)電極材料和電解液配方。例如，采用高導(dǎo)電性的電極材料和低阻抗的電解液，優(yōu)化電極與電解液的界面性能。

4.3 安全隱患

電池存在熱失控、短路等風(fēng)險(xiǎn)，安全隱患是鋰電池使用中的重大挑戰(zhàn)，尤其是在高能量密度電池中。為此要進(jìn)一步加強(qiáng)安全性能測(cè)試，改進(jìn)電池設(shè)計(jì)。例如，采用高穩(wěn)定性的隔膜和電解液，優(yōu)化電池的熱管理系統(tǒng)。

5. 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 智能化檢測(cè)

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能化檢測(cè)將成為趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)分析。智能化檢測(cè)可以提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性，降低人工成本。

5.2 高精度檢測(cè)

高精度檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)將進(jìn)一步提升檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，高分辨率的原位檢測(cè)技術(shù)和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以提供更詳細(xì)的電池內(nèi)部信息。

5.3 綠色檢測(cè)

綠色檢測(cè)技術(shù)將減少檢測(cè)過(guò)程中的環(huán)境污染，推動(dòng)鋰電池行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。例如，采用低能耗的檢測(cè)設(shè)備和環(huán)保的檢測(cè)方法。

6. 結(jié)論

鋰電工藝穩(wěn)定性檢測(cè)是確保電池高質(zhì)量生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)全面的檢測(cè)內(nèi)容、先進(jìn)的設(shè)備與技術(shù)、嚴(yán)格的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，可以有效提升電池的性能和安全性。未來(lái)，智能化、高精度和綠色檢測(cè)將成為主要發(fā)展方向，推動(dòng)鋰電池行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

7. 參考文獻(xiàn)

[1] International Electrotechnical Commission. (2012). IEC 62133: Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes - Safety requirements for portable sealed secondary cells, and for batteries made from them, for use in portable applications.

[2] Underwriters Laboratories. (2012). UL 1642: Standard for Safety for Lithium Batteries.

[3] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). (2016). GB/T 18287: 通用規(guī)范 for lithium-ion batteries for portable electronic devices.

[4] United Nations. (2015). UN Manual of Tests and Criteria, Part III, Section 38.3: Test requirements for lithium metal and lithium ion batteries.

產(chǎn)品咨詢(xún)&定制服務(wù)

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