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1. 引言
鋰電池作為現(xiàn)代電子設(shè)備和電動汽車的核心能源，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鍧嵞茉春碗妱踊枨蟮牟粩嘣黾樱囯姵氐膽?yīng)用范圍不斷擴大，從消費電子到電動汽車、儲能系統(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于其制造工藝的穩(wěn)定性。工藝穩(wěn)定性檢測是確保鋰電池高質(zhì)量生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涵蓋原材料、生產(chǎn)過程及最終產(chǎn)品的全面檢測。通過科學(xué)的檢測手段和嚴(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)模化應(yīng)用中取得成功的關(guān)鍵。無論是消費電子、電動汽車還是儲能系統(tǒng)，電池組通常由成百上千個單體電池組成。如果單體電池的性能不一致，會導(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)定性檢測通過嚴(yán)格控制原材料、生產(chǎn)過程和成品的質(zhì)量，確保每個單體電池在容量、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. 檢測內(nèi)容與方法
2.1 原材料檢測
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)、壓實密度及電阻率等作為質(zhì)量評估的關(guān)鍵性指標(biāo)。檢測負極石墨、硅碳復(fù)合材料等負極材料的壓實密度、電阻率、結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能和機械強度等指標(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)險和熱穩(wěn)定性。檢測隔膜的厚度、孔隙率、機械強度、熱收縮率及離子導(dǎo)通能力是其性能檢測的關(guān)鍵性指標(biāo)。
如圖2左為PRCD系列粉末電阻率及壓實密度檢測系列方案示意圖，正負極粉體電阻率和壓實密度的測定對鋰離子電池的性能、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)定性檢測的原材料層級已普遍作為關(guān)鍵性測試指標(biāo)。實際導(dǎo)入初期需結(jié)合實際生產(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)后可針對每批原材料進行標(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)率評估設(shè)備，其中在原材料隔膜質(zhì)量評估環(huán)節(jié)，可作為隔膜離子電導(dǎo)率評估的有效方案。EIC系列方案嚴(yán)格執(zhí)行GB/T 36363-2018的測試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備可實現(xiàn)自動換氣及自動注液，單次下壓可同步實現(xiàn)1-4層隔膜的EIS測試，搭載智能化分析軟件，可有效實現(xiàn)隔膜離子電導(dǎo)率的有效檢測。
圖2.左：PRCD系列粉末電阻率及壓實密度檢測系統(tǒng)示意圖；
右：EIC系列隔膜離子電導(dǎo)率測試系統(tǒng)示意圖
2.2 生產(chǎn)過程檢測
生產(chǎn)過程中的檢測確保各環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性，主要包括涂布工藝——檢測涂布厚度和均勻性，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、壓實密度、電阻等指標(biāo)均與涂覆均勻度強關(guān)聯(lián)。輥壓工藝——檢測極片的厚度和輥壓后壓實密度，輥壓工藝影響電極的機械強度和電化學(xué)性能。裝配工藝——檢測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。涂布及輥壓工藝過程中，極片電導(dǎo)性能的評估如圖3極片電子電導(dǎo)及離子電導(dǎo)檢測系統(tǒng)示意圖，其中電子電導(dǎo)是結(jié)合極片樣品，實現(xiàn)不同量化壓力下極片電子電導(dǎo)及壓實密度評估測定，當(dāng)前該檢測系統(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)評估與鋰離子在極片層級的有效傳輸路徑息息相關(guān)，當(dāng)前極片離子電導(dǎo)率評估多通過組裝對稱電池進行EIS測定的方式來實現(xiàn)，EIC系列設(shè)備可實現(xiàn)對稱電池組裝、測試、分析等的一體化集成，能夠?qū)崿F(xiàn)極片離子電導(dǎo)率的快速評測，有效提升極片層級離子導(dǎo)通一致性的評估。
圖3.左：BER系列極片電子電導(dǎo)檢測系統(tǒng)示意圖；
右：EIC系列極片離子電導(dǎo)率測試系統(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)定性檢測也需要引入一些新的方法及及檢測系統(tǒng)，其中極片層級浸潤的表征一直是行業(yè)關(guān)注的重點，如圖4為元能推出的極片浸潤檢測表征系統(tǒng)，其中（A）為毛細管浸潤法，高精度視覺識別系統(tǒng)搭載力學(xué)調(diào)控及測試系統(tǒng)可有效實現(xiàn)極片層級毛細管浸潤效應(yīng)評測；（B）和（C）分別為稱重法浸潤測試系統(tǒng)和高度法浸潤測試系統(tǒng)，可以從不同維度評估極片的浸潤性能，極片電解液浸潤與電池電性能密切相關(guān)，充分浸潤可降低內(nèi)阻、提升容量、改善倍率性能和延長循環(huán)壽命。優(yōu)化浸潤工藝是提升電池性能的關(guān)鍵。
圖4.極片浸潤性檢測系統(tǒng)示意圖
2.3 成品檢測
成品檢測是確保電池出廠質(zhì)量的最后一步，主要包括電性能測試：檢測電池的容量、內(nèi)阻、循環(huán)壽命、倍率性能等，電性能測試是評估電池性能的核心手段。安全性能測試：進行過充、過放、短路、擠壓、針刺、高溫等測試，安全性能測試是評估電池安全性的重要環(huán)節(jié)。環(huán)境適應(yīng)性測試：檢測電池在高低溫、濕度、振動等條件下的性能。環(huán)境適應(yīng)性測試是評估電池在實際使用中可靠性的關(guān)鍵。其中電性能測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，為進一步評估成品電芯的一致性，設(shè)備的能力需求也逐步提升，當(dāng)前電性能評估中高精度的充放電設(shè)備更是大家關(guān)注的重點，充放電設(shè)備精度越高，對電芯差異性識別的能力越強，可有效為電池組的整體性能保駕護航。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個萬分之一精度的充放電測試通道，以方便研發(fā)人員進行上述的失效分析與快速壽命預(yù)測，同時，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測試工步同步編入循環(huán)測試工步內(nèi)，便于客戶進行長循環(huán)的CV或EIS監(jiān)測，有效解決用戶來回切換測試設(shè)備或頻繁搬運電池的困擾！為進一步提升電芯測試一致性的需求，元能科技在電芯一致性測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)定性檢測邁入新的臺階。
圖5.電化學(xué)性能分析系統(tǒng)示意圖
3. 檢測標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范
鋰電池檢測需遵循多項國際和行業(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)廣泛認可的鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 18287——中國鋰電池通用規(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——鋰電池運輸安全標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋰電池在運輸過程中的安全測試要求。
4. 檢測中的常見問題與解決方案
4.1 容量衰減
電池容量會在在使用中逐漸衰減，容量衰減是鋰電池使用中的常見問題，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)阻增大會導(dǎo)致電池的功率性能下降和發(fā)熱增加。通常需要改進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，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。為此要進一步加強安全性能測試，改進電池設(shè)計。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. 未來發(fā)展趨勢
5.1 智能化檢測
隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能化檢測將成為趨勢，實現(xiàn)實時監(jiān)控和自動分析。智能化檢測可以提高檢測效率和準(zhǔn)確性，降低人工成本。
5.2 高精度檢測
高精度檢測設(shè)備和技術(shù)將進一步提升檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，高分辨率的原位檢測技術(shù)和無損檢測技術(shù)可以提供更詳細的電池內(nèi)部信息。
5.3 綠色檢測
綠色檢測技術(shù)將減少檢測過程中的環(huán)境污染，推動鋰電池行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。例如，采用低能耗的檢測設(shè)備和環(huán)保的檢測方法。
6. 結(jié)論
鋰電工藝穩(wěn)定性檢測是確保電池高質(zhì)量生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過全面的檢測內(nèi)容、先進的設(shè)備與技術(shù)、嚴(yán)格的檢測標(biāo)準(zhǔn)，可以有效提升電池的性能和安全性。未來，智能化、高精度和綠色檢測將成為主要發(fā)展方向，推動鋰電池行業(yè)的技術(shù)進步。
7. 參考文獻
[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] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. (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&定制服務(wù)
元能科技是一家專注于鋰離子電池檢測儀器研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，致力于為全球新能源領(lǐng)域提供領(lǐng)先的檢測解決方案與服務(wù)。
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