鋰電池制造工藝及裝備 課件 第6章 電池制造過程檢測

第6章電池制造過程檢測鋰電制造工藝及裝備鋰電制造工藝及裝備制造業(yè)工程基礎(chǔ)—裝備電池制造過程檢測電池故事—毛煥宇123裝備制造業(yè)是為國民經(jīng)濟(jì)和國家安全提供技術(shù)裝備的制造業(yè)的總稱。它覆蓋了機(jī)械、電子、武器彈藥制造業(yè)中生產(chǎn)投資類產(chǎn)品的全部企業(yè)。分八大類。裝備制造業(yè)是國家的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，高度發(fā)達(dá)的裝備制造業(yè)，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的必備條件，是衡量國家國際競爭力的重要標(biāo)志，是決定國家在經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程中國際分工地位的關(guān)鍵因素。裝備制造業(yè)的范圍1.0儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)及裝備的發(fā)展空間2025年2030年2060年復(fù)合增長率儲(chǔ)能電池（TWh）2.0T30T7500T45%儲(chǔ)能產(chǎn)值1萬億9萬億750萬億30%裝備累計(jì)總價(jià)值3000億元1萬億元30萬億20%1.1鋰電裝備的國內(nèi)、外情況龐大的市場；不斷更新；性能指標(biāo)領(lǐng)先。國外鋰電裝備行業(yè)日本：老牌企業(yè)，擁有技術(shù)和經(jīng)營的積累，占中國3-5%韓國：后起發(fā)展，創(chuàng)新能力不夠，占中國5-8%德國：后來可能居上，裝備先驅(qū)，厚積勃發(fā)。國內(nèi)裝備的綜合優(yōu)勢：價(jià)格優(yōu)勢，換型升級(jí)，創(chuàng)新優(yōu)勢；核心區(qū)別在于創(chuàng)新升級(jí)，最后是企業(yè)利益，團(tuán)體利益，國家利益，戰(zhàn)略利益。工業(yè)基礎(chǔ)。穩(wěn)定性有待提升；裝備成為鋰電及新能源產(chǎn)業(yè)的重要支撐1.1中國制造裝備產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀2015-2020年中國工業(yè)機(jī)器人銷售額及預(yù)測2019年280億2019年500億2019年800億2019年700億1.2.——國民經(jīng)濟(jì)的脊梁。

——高新技術(shù)的載體?！獓野踩谋Ｕ?。——經(jīng)濟(jì)增長的動(dòng)力?！a(chǎn)業(yè)升級(jí)的手段?！髽I(yè)競爭力的保障。——產(chǎn)品質(zhì)量的保證。——財(cái)富的重要依托。裝備制造業(yè)的地位和作用1.3鋰電制造工藝及裝備制造業(yè)工程基礎(chǔ)—標(biāo)準(zhǔn)電池制造過程檢測電池故事—毛煥宇123動(dòng)力電池制造安全性公共條件：電力、真空、壓縮空氣污染：粉塵、雜質(zhì)、異物工作環(huán)境：溫度、濕度、水分環(huán)境控制制造質(zhì)量設(shè)備環(huán)境：磨損異物、引入雜質(zhì)、掉削漿料制造：極片制造：芯包制造：電芯裝配：干燥注液：化成分容：電池制造質(zhì)量與安全的挑戰(zhàn)雜質(zhì)控制毛刺控制尺寸控制異物控制水分控制PPB級(jí)控制要求制造尺度：PPM級(jí)控制PPB：partperbillion十億分之一制造缺陷過程檢測與控制電池制程測量與缺陷檢查的意義在儲(chǔ)能電池的制造工藝流程中，從前段工藝的極片制作，到中段工藝的電芯組裝，到后段工藝的電芯激活檢測和電池封裝，尺度和缺陷的測量和檢查伴隨全程。儲(chǔ)能電池制造工藝流程的檢查技術(shù)和測量方法眾多。從離線取樣檢測，到半自動(dòng)人工抽檢，到連續(xù)在線實(shí)時(shí)檢測，到數(shù)字化車間的全網(wǎng)絡(luò)搭建。發(fā)現(xiàn)不良品，便于制造商進(jìn)行品質(zhì)管控，維持良好的生產(chǎn)能力和提高儲(chǔ)能電池的綜合性能在良品中找到進(jìn)一步優(yōu)化的方向，為確定工藝流程提供關(guān)鍵信息，為電池工藝優(yōu)化和品質(zhì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持?jǐn)?shù)字化建模、分析、優(yōu)化實(shí)現(xiàn)制造制造的基礎(chǔ)。2.0電池制程中的測量分類依據(jù)工藝階段劃分前段工藝（極片制作）中：漿料粘度、涂布尺寸、涂布密度

等中段工藝（電芯組裝）中：尺寸及精度、對(duì)齊度、過程表面質(zhì)量等后段工藝（電芯激活檢測和電池封裝）中：電壓、循環(huán)深度等依據(jù)測量手段劃分視覺類，如涂布表面質(zhì)量檢測、對(duì)齊度、X-ray、毛刺等。超聲波類，如焊接質(zhì)量等。電子儀器類，如短路電阻、斷路電阻、熱壓溫度、電芯重量等?；瘜W(xué)分析類，如粘度、顆粒度、固含量、電解液密度等。依據(jù)在線與否劃分取樣離線測量，如固含量、涂布密度、粘接力等。抽樣在線測量，如：Overhang、熱影響區(qū)寬度、表面質(zhì)量等。完全在線測量，如：張力、冷壓壓力、熱壓壓力等。2.1電池制程工藝2.1軟包視頻電池制程中的測量內(nèi)容介紹粘度定義指合漿粘度，包含正極漿料、膠粘劑和負(fù)極漿料、膠粘劑等流體的粘度。影響會(huì)影響涂布速率和厚度控制水平，偏高時(shí)會(huì)造成涂布困難、邊緣鋸齒嚴(yán)重等不良，過低時(shí)不能形成穩(wěn)定的涂布層測量方式離線測量和在線測量。離線測量：在漿料緩存罐中定時(shí)取樣，采用粘度計(jì)進(jìn)行離線測試。易受人員操作水平、測量儀器的影響，測量時(shí)間滯后，無法快速進(jìn)行過程控制。在線測量：借助在線粘度計(jì)進(jìn)行測試。受溫度、壓力、流動(dòng)速度等因素的影響大。在實(shí)際生產(chǎn)中，離線和在線均有應(yīng)用互為印證。2.2表面缺陷定義劃痕、露箔、顆粒、裂紋等表面缺陷。影響嚴(yán)重影響電池的安全性和使用壽命測量方式傳統(tǒng)的人工檢測方法和基于機(jī)器視覺的非接觸檢測。手工檢測效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測質(zhì)量無法保證,不能滿足鋰電池大批量生產(chǎn)的需要。應(yīng)用機(jī)器視覺可以準(zhǔn)確、高效地對(duì)鋰電池極片進(jìn)行檢測,從而提高生產(chǎn)效率、降低成本。目前,對(duì)于動(dòng)力鋰離子電池極片表面缺陷,主要是基于機(jī)器視覺的非接觸檢測,利用圖像處理,可以發(fā)現(xiàn)缺陷、提取缺陷并描述缺陷。2.2電池制程中的測量內(nèi)容介紹張力定義物體受到拉力作用時(shí)，存在于其內(nèi)部且垂直于兩相鄰部分接觸面上的相互牽引力。帶材張力，帶材受到的沿走帶方向的力與垂直于走帶方向的截面面積之比。鋰電制造工藝中，有2種類型的張力：涂布帶材張力、卷繞/疊片工藝中的帶材張力（極片和隔膜）。張力的衡量單位為Mpa。在特定的鋰電制造應(yīng)用中，也選用gf和N作為張力的度量單位。影響涂布時(shí)，張力過大會(huì)導(dǎo)致材料的變形、甚至斷裂，過小又會(huì)因?yàn)樗沙趯?dǎo)致跑偏；張力不穩(wěn)會(huì)使極片活性物質(zhì)涂覆不均勻，造成生產(chǎn)品質(zhì)問題。卷繞/疊片中，張力波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致帶材出現(xiàn)起皺、松動(dòng)、斷裂和電芯表面凹凸不平等現(xiàn)象，影響電芯品質(zhì)測量方式借助張力計(jì)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測量2.2電池制程中的測量內(nèi)容介紹熔珠定義激光切割制片的產(chǎn)物的一種，因“形狀如珠”而得名熔珠，為極細(xì)小的顯微金屬顆粒。激光制片的原理是利用激光束照射被切割的極片，使其迅速熔化、氣化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)而形成孔洞，光束移動(dòng)形成連續(xù)空洞完成切割。制片過程中，切割邊緣材料氣化飛濺，落至極片上冷凝形成熔珠影響

過大的熔珠會(huì)造成電池短路，影響電芯品質(zhì)和電池安全測量方式離線測量。在切割完的極片邊緣取樣，借助顯微放大技術(shù)度量熔珠的尺寸，常以特征尺寸的最大值和均值、給定面積內(nèi)熔珠特征的數(shù)量等物理量來度量2.2電池制程中的測量內(nèi)容介紹毛刺定義圓盤分切和模具沖切制片的產(chǎn)物的一種，因“形狀如刺”而得名毛刺。有橫向毛刺和縱向毛刺兩種。成因復(fù)雜，多與極片材料特性有關(guān)，也與分切工藝參數(shù)和沖切參數(shù)有關(guān)。衡量物理量為在約定方向（橫向或縱向）上毛刺前端距離基準(zhǔn)面的距離。影響

過大的毛刺會(huì)造成電池短路，影響電芯品質(zhì)和電池安全測量方式工程上，多為離線測量。在切割完成的極片邊緣取樣，借助顯微放大技術(shù)度量毛刺的尺寸。近些年，毛刺的在線測量被提出，也引起了相關(guān)人員的注意，但是因工況的特殊性，未有應(yīng)用。2.2電池制程中的測量內(nèi)容介紹熱影響區(qū)定義激光切割極片成型的過程中，輸入的激光能量使材料局部受熱，導(dǎo)致激光輻射區(qū)域附近的溫度上升、材料性質(zhì)發(fā)生改變的現(xiàn)象。影響熱影響區(qū)降低了表層材料的活性，且會(huì)增大切縫邊緣表層材料脫落的風(fēng)險(xiǎn)，影響電芯品質(zhì)和電池安全測量方式離線測量。在切割完成的極片邊緣取樣，借助顯微放大技術(shù)度量熱影響區(qū)的尺寸2.2電池制程中的測量內(nèi)容介紹拉絲定義模具沖切制片的產(chǎn)物的一種，因“形狀如絲”而得名拉絲。拉絲的成因復(fù)雜，多與極片材料及特性參數(shù)有關(guān)，也與沖切工藝參數(shù)有關(guān)。衡量物理量為在約定方向上拉絲/露箔前端距離基準(zhǔn)線的距離。影響拉絲會(huì)增大邊緣表層材料脫落的風(fēng)險(xiǎn)，脫落的材料進(jìn)入電芯可能會(huì)導(dǎo)致短路，影響電芯品質(zhì)和電池安全測量方式離線測量。在切割完成的極片邊緣取樣，借助顯微放大技術(shù)度量拉絲的尺寸。2.2電池制程中的測量內(nèi)容介紹Overhang和對(duì)齊度定義Overhang為鋰電工程中的習(xí)慣用語，本意指“懸垂部分”，在鋰電行業(yè)指給定邊緣（通常為兩個(gè)不同邊緣）的距離。三種類型的overhang：隔膜-正極的Overhang、隔膜-負(fù)極的Overhang和正極-負(fù)極的Overhang。在某些工藝要求中，亦要求隔膜-正極陶瓷涂層的Overhang。四種類型的對(duì)齊度：隔膜對(duì)齊度、正極對(duì)齊度、負(fù)極對(duì)齊度和極耳對(duì)齊度影響Overhang和對(duì)齊度不良可能會(huì)導(dǎo)致短路，影響電芯品質(zhì)和電池安全測量方式常用的測量方法有兩種：離線每日/班次首件抽檢和在線CCD測量、X-Ray測量2.2電池制程中的測量內(nèi)容介紹制造過程中的缺陷檢查方法常用檢查方法視覺類，如：基于CCD測試系統(tǒng)的overhang（對(duì)齊度）的測量方法；基于顯微放大系統(tǒng)毛刺測量方法；基于X-CT測試系統(tǒng)的電芯內(nèi)部缺陷檢查方法；等超聲波類，如：基于超聲系統(tǒng)的焊接質(zhì)量檢查方法；等電子儀器類，如：基于電阻測試儀的短路、斷路檢查方法；基于稱重系統(tǒng)的電芯重量及一致性測量；基于張力計(jì)的帶材張力測量方法；等化學(xué)分析類，如：基于粘度計(jì)的粘度測量；等

。2.3測量量/缺陷涂布重量：極片重量與基材（箔材）重量之差。涂布密度：單位面積內(nèi)涂覆物質(zhì)的質(zhì)量。為涂布重量與涂布面積之比。常用設(shè)備射線面密度儀（兩種：β射線面密度測量儀和X射線面密度測量儀）在理想條件下，“窄束”單能X射線透射物質(zhì)材料時(shí)，穿透后射線的強(qiáng)度隨穿透物體面密度的增加而呈指數(shù)規(guī)律衰減，故X射線的面密度的基礎(chǔ)理論計(jì)算公式與β射線相同。在工程應(yīng)用中，由于X射線與物質(zhì)相互作用過程中產(chǎn)生的散射射線，所以衰減規(guī)律的計(jì)算過程引入系數(shù)k和b如下，系數(shù)k、b由標(biāo)定實(shí)驗(yàn)而得到。通過檢測射線穿透極片前后射線強(qiáng)度，計(jì)算出極片的厚度和面密度。制造過程中的缺陷檢查方法2.3測量量/缺陷涂布、激光切割、卷繞和疊片等工藝中的帶材厚度涂布、激光切割、卷繞和疊片等工藝中的帶材張力常用設(shè)備激光測厚儀張力計(jì)激光測厚儀：上下傳感器分別測量被測體上表面和下表面的位置，通過計(jì)算得到被測體的厚度。激光測厚儀的優(yōu)點(diǎn)：非接觸的測量，相對(duì)接觸式測厚儀更精準(zhǔn)，不會(huì)因?yàn)槟p而損失精度。

相對(duì)超聲波測厚儀精度更高。相對(duì)X射線測厚儀沒有輻射污染。在電池制造中，常用應(yīng)變片型張力計(jì)。通過壓縮應(yīng)變片間接測量張力值。通過張力輥和測張輥形成一定的包角，通過測張輥加壓力，使張力傳感器敏感元件產(chǎn)生位移或者形變，根據(jù)應(yīng)變片電阻值的變化再通過內(nèi)置處理器可計(jì)算得到所要測量的拉力值。制造過程中的缺陷檢查方法2.3測量量/缺陷表面電阻：在試樣表面上的兩電極間所加電壓與在規(guī)定的電化時(shí)間里流過電極間的電流之比。表面電阻率，又稱表面比電阻：指涂布完成后極片單位面積的表面電阻，表征極片電性能的重要參數(shù)，代表單位面積極片表面對(duì)正方形的相對(duì)二邊間表面泄漏電流所產(chǎn)生的電阻。表面電阻率的大小與電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成、電壓、溫度、材料的表面狀況、處理?xiàng)l件和環(huán)境濕度有關(guān)。環(huán)境濕度對(duì)表面電阻率的影響極大。在相同條件下，表面電阻率愈大，絕緣性能愈好常用設(shè)備電阻測試儀（采用三電極裝置）直接法：測量加在試樣上的直流電壓和流過它的電流而求的未知電阻。比較法，又名電橋法：是確定電橋線路中試樣未知電阻與電阻器已知電阻之間的比值，或是在固定電壓下比較通過這兩種電阻的電流制造過程中的缺陷檢查方法2.3測量量/缺陷糾偏量（對(duì)齊度；overhang值）常用設(shè)備糾偏儀（又稱糾偏裝置、糾偏機(jī)構(gòu)等。指在涂布工藝、激光切割工藝、卷繞工藝、疊片工藝等工藝中廣泛使用的，用以控制帶材跑偏量、保證運(yùn)行平穩(wěn)的設(shè)備或機(jī)構(gòu)）：自動(dòng)對(duì)中糾偏or

蛇形糾偏自動(dòng)對(duì)中糾偏常用輥形帶材在棍子上的運(yùn)動(dòng)示意單錐輥示意

制造過程中的缺陷檢查方法2.3測量量/缺陷糾偏機(jī)構(gòu)及糾偏原理（對(duì)齊度；overhang值）常用設(shè)備糾偏儀（又稱糾偏裝置、糾偏機(jī)構(gòu)等。指在涂布工藝、激光切割工藝、卷繞工藝、疊片工藝等工藝中廣泛使用的，用以控制帶材跑偏量、保證運(yùn)行平穩(wěn)的設(shè)備或機(jī)構(gòu)）：自動(dòng)對(duì)中糾偏or

蛇形糾偏蛇形糾偏運(yùn)動(dòng)模型蛇形糾偏動(dòng)力學(xué)模型蛇形糾偏的運(yùn)動(dòng)模型如下，其中A、D為墮輥，B、C為可繞著旋轉(zhuǎn)中心偏擺的輥。因在糾偏過程中，B、C輥的運(yùn)動(dòng)軌跡如蛇的爬行運(yùn)動(dòng)而得名蛇形糾偏制造過程中的缺陷檢查方法2.3測量量/缺陷實(shí)時(shí)檢測涂布表面缺陷、卷繞工藝的Overhang和對(duì)齊度的在線測量、疊片工藝的Overhang和對(duì)齊度的在線測量、鋁殼的表面缺陷的在線測量常用設(shè)備CCD測試系統(tǒng)采用CCD攝像機(jī)配合鏡頭，在適當(dāng)?shù)木嚯x下在正上方進(jìn)行圖像采集。因?yàn)橥坎己髽O片表面會(huì)對(duì)直射光源有較強(qiáng)的反光，所以光源的位置放在攝像機(jī)的側(cè)面。采用兩個(gè)光源從兩側(cè)照射，是為了使光源在傾斜的角度照射極片表面的情況下依舊可以得到均勻的光照，有利于采集到清晰的圖像。采集到的圖像上傳處理單元，借助圖像處理技術(shù)及算法，可以得到表面缺陷參數(shù)。制造過程中的缺陷檢查方法2.3常用檢查方法X-CT技術(shù)及測試系統(tǒng)

該技術(shù)借助穿透性強(qiáng)的X射線，可以獲得較高的空間分辨率，可以對(duì)電芯和電池電極層、內(nèi)部缺陷、焊接質(zhì)量等進(jìn)行無損傷三維成像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)原位檢測。超聲檢測系統(tǒng)對(duì)鋰電池內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，如電解液分布是否均勻、焊接質(zhì)量、是否存在空氣層、是否內(nèi)部打折、是否有異物等紅外熱成像系統(tǒng)測量鋰電池的涂布、電芯和成品電池的溫度情況植入式感知系統(tǒng)基于單體電池內(nèi)部和外部的在線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，建立從單體鋰離子電池到儲(chǔ)能系統(tǒng)的智能管理系統(tǒng)電芯原位（在線）缺陷檢查方法2.4X-CT技術(shù)及測試系統(tǒng)X射線斷層成像技術(shù)（X—raycomputetomography，簡稱X—CT技術(shù)），基于X光源和射線聚焦技術(shù)的顯微技術(shù)、斷層掃描技術(shù)和圖像處理技術(shù)的集成技術(shù)求出體素矩陣中每個(gè)體素的衰減系數(shù)計(jì)算CT值根據(jù)CT值建立斷層圖像；圖像中每個(gè)像素灰度的強(qiáng)弱是根據(jù)CT值的大小確定?；赬-CT技術(shù)獲得的圖像+圖像分析技術(shù)電芯和電池電極層、內(nèi)部缺陷、焊接質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)2.4電芯原位缺陷檢查方法X-CT技術(shù)及測試系統(tǒng)超聲檢測系統(tǒng)在鋰電行業(yè)中使用的超聲檢測系統(tǒng)多數(shù)采用空氣耦合超聲波。該技術(shù)具有非接觸、無污染和無損等優(yōu)點(diǎn)。2.4電芯原位缺陷檢查方法紅外熱成像系統(tǒng)基于紅外熱像儀測量鋰電池的涂布、電芯和成品電池的溫度情況。把被測表面的溫升以圖像形式展現(xiàn)出來，測得的不是單一點(diǎn)的溫度變化，被測表面各個(gè)點(diǎn)的溫度，有異常溫度變化的部位在熱像圖中很容易看出，綜合電性能測試，可以對(duì)被測對(duì)象做直觀的檢測和判斷。在某工程應(yīng)用中，利用紅外成像技術(shù)同時(shí)檢測電極的涂布量（面密度）和電極的孔隙率2.4電芯原位缺陷檢查方法植入式感知系統(tǒng)又稱儲(chǔ)能鋰離子電池智能傳感技術(shù)。通過在電池內(nèi)部嵌入傳感裝置，利用引線封口或無線傳輸?shù)仁侄?，?shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池內(nèi)部信息，如溫度、壓力等，的實(shí)時(shí)檢測。有利于更有效地評(píng)價(jià)電池內(nèi)部狀況。目前，主要以溫度傳感器為主。植入式溫度傳感器主要有三種：熱電偶、熱電阻和光纖傳感器。該內(nèi)置感知系統(tǒng)，基于內(nèi)部電化學(xué)環(huán)境及磁控濺射手段完成了多點(diǎn)式柔性薄膜傳感器的制造，并實(shí)現(xiàn)植入式傳感器與電池的一體化