鋰(li)離子電(dian)池(chi)因(yin)其清潔(jie)、能量(liang)(liang)密度高(gao)、循環性能好等(deng)優點廣泛應用于我(wo)們的(de)(de)(de)(de)(de)日常(chang)生活中(zhong)(zhong)。尤其是(shi)近年來(lai)(lai), 新(xin)能源汽(qi)車(che)、儲能電(dian)站的(de)(de)(de)(de)(de)快速發展(zhan), 鋰(li)離子電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)用量(liang)(liang)超乎(hu)想象，一臺新(xin)能源汽(qi)車(che)集(ji)成了(le)幾千個電(dian)池(chi)，達(da)幾百公(gong)斤，巨量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)池(chi)集(ji)中(zhong)(zhong)在(zai)一起(qi)，安全問題就尤為重要。近年來(lai)(lai)鋰(li)電(dian)池(chi)電(dian)動車(che)、汽(qi)車(che)和儲能電(dian)站均發生過(guo)燃爆事故，因(yin)此，鋰(li)電(dian)池(chi)質量(liang)(liang)、安全等(deng)方面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)研究越來(lai)(lai)越被人們重視，對鋰(li)電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)質檢技術也提出(chu)了(le)更高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)要求，這涵蓋了(le)正負(fu)極材料(liao)、隔(ge)膜(mo)、銅箔、鋁箔，甚至外包(bao)裝材料(liao)。
歐(ou)波同集團長期從(cong)事光鏡、電鏡領域的(de)微(wei)(wei)觀(guan)分析工作，通過(guo)和(he)廣(guang)大客(ke)戶的(de)交(jiao)流(liu)，我(wo)們發現(xian)現(xian)在客(ke)戶的(de)微(wei)(wei)分析存在效率低、人的(de)主(zhu)觀(guan)因素影響大、非標(biao)準化等問題，為此(ci)我(wo)們成立(li)了(le)匯鴻科(ke)技公司，利用智能(neng)化軟件實(shi)現(xian)顯微(wei)(wei)分析的(de)自動(dong)化、標(biao)準化。
一(yi)、鋰(li)離子電池材料顯微智能分(fen)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，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。由于材料加工過程中的缺陷，鋰電池在使用或儲存過程中仍會出現一定概率的失效[1]，例如，多孔電極在充放電過程中發生體積膨脹和收縮，導致顆粒逐漸出現裂紋，這些裂紋沿著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。
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圖一：匯鴻(hong)鋰離子電(dian)池顯微(wei)智能分析系(xi)統
針對鋰(li)電池(chi)(chi)使用過程中產(chan)生的各種失效問題(ti)，匯鴻智(zhi)能科技為(wei)客(ke)(ke)戶量身定制了專(zhuan)屬軟件，滿足客(ke)(ke)戶所有需(xu)求，采用先進(jin)AI技術(shu)及圖像處理技術(shu)，可快速準確進(jin)行單晶團聚識別、開(kai)裂球(qiu)識別、二次球(qiu)顆粒分(fen)布均勻性判斷、截面孔隙統計、隔膜(mo)孔隙統計等鋰(li)電池(chi)(chi)材(cai)料(liao)分(fen)析。
1）識別：
通常在制備三元正極材料時，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。
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圖(tu)二：軟件智(zhi)能(neng)區分開裂球(qiu)和普通球(qiu)
通過匯鴻LIBMAS，可快速統計并計算開裂球占比，獲得開裂球裂縫信息，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，發現循環充放電后的顆粒截面出現大量裂痕，如圖三。使用LIBMAS對截面孔隙進行識別，快速獲得截面孔隙結果。
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圖三：二次(ci)球截面孔隙識別
2）團聚體顆粒識別:
正(zheng)極三元顆粒(li)通(tong)常需要在高溫純氧下(xia)進行燒(shao)(shao)結，燒(shao)(shao)結而成的(de)三元產品一般(ban)具有典型的(de)團聚體形貌(mao)，即(ji)由粒(li)徑約幾百納米(mi)的(de)一次粒(li)子組成的(de)，在幾個到十(shi)幾個微米(mi)之間(jian)的(de)二次球顆粒(li)。以往采(cai)(cai)用人(ren)工統計(ji)分(fen)析，需要在SEM成像后(hou)，手動逐個測量，工作(zuo)量大，而且存在人(ren)為測量的(de)誤差；采(cai)(cai)用匯鴻(hong)智能分(fen)析軟件，則(ze)可以一鍵操作(zuo)，簡化(hua)流(liu)程，在短(duan)時間(jian)內(nei)快速獲得標準化(hua)的(de)統計(ji)結果(guo)，如(ru)圖四。
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圖四：一次顆粒團聚形成的(de)二次球顆粒識別
電極材料的顆粒尺寸影響電池的容量、倍率性能和循環性能[3]。小尺寸顆粒可以縮短鋰離子固相擴散路徑，內部多孔顆粒可以提供更多的鋰離子遷移通道。但是粒徑過小會導致庫侖效率和充填密度低下,影響整體電池的容量。通過匯鴻LIBMAS可高效識別一次顆粒大小（長、寬、周長、面積等）以及分布情況，如圖五。
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圖五(wu)：軟件(jian)自動區分團(tuan)聚(ju)顆粒及團(tuan)聚(ju)顆粒截面(mian)
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，顆粒流動性好，壓實密度高和電極漿料可加工性好等優點。然而在團聚體反復充放電過程中，電極不斷膨脹和收縮，內部顆粒十分容易破碎。相比易產生顆粒粉碎的多晶正極材料，許多研究[4,5]已經開始從晶體結構本身出發，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，在高溫循環方面也具有更好的熱穩定性。諸如此類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。
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圖六：單晶顆粒(li)的識別
4）大小二次球識別：
除(chu)此之(zhi)外，匯鴻(hong)LIBMAS還可以精準識別圖像(xiang)上(shang)所有大二(er)次球顆(ke)粒與小(xiao)顆(ke)粒，根據面(mian)積判斷計算大顆(ke)粒與小(xiao)顆(ke)粒分布(bu)的均(jun)勻性。如圖七。
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圖七：大小二次球顆粒分(fen)布(bu)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生短路，同時使電解質離子通過。相關研究證實[6]，隔膜的微孔孔徑分布越均勻，電池的電性能越優異。
孔徑的(de)分(fen)(fen)布主要采用掃描電子顯微鏡( SEM) 進行觀(guan)測，但僅靠肉眼觀(guan)測圖(tu)片，對孔隙率的(de)表征存在一定誤差且效率低下。因此，若要更(geng)準確形象地(di)獲得(de)材料的(de)孔隙率，需要將圖(tu)像處(chu)理軟件與SEM 結(jie)合，以(yi)實現隔膜孔隙分(fen)(fen)布及(ji)其定量分(fen)(fen)析的(de)需求(qiu)。
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圖八：隔膜孔隙(xi)(xi)識別及孔隙(xi)(xi)率(lv)統計
匯鴻LIBMAS可(ke)以(yi)快速(su)獲取隔(ge)膜(mo)的孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)率(lv)信息(xi)，檢測(ce)隔(ge)膜(mo)孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)率(lv)、孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)直(zhi)徑及(ji)纖維直(zhi)徑并統(tong)計(ji)分析，從而形象地描(miao)述隔(ge)膜(mo)表面的結構細(xi)節，提高鋰電池隔(ge)膜(mo)孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)率(lv)評(ping)定的準確(que)性(xing)，如圖九。
二、鋰離子電池異物分析系統（LIBIAS）
目前行業對鋰電正極材料中金屬及磁性異物的分類主要有以下三個方面：金屬及非金屬大顆粒、磁性異物、Cu/Zn單質[7]。異物引入的方式有原材料帶入和制造過程中產生。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，一般會使用專業的設備與軟件對初篩后的原材料中異物顆粒進行形貌與成分統計。行業內以往使用光鏡或手動測量的方法，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題有：1）異物來源廣、溯源難，2）數據量大、費時費力，3）顆粒易團聚、識別難度高。
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圖一：同一顆粒(li)分別(bie)在光學顯(xian)微(wei)鏡（左）、電子顯(xian)微(wei)鏡（右）下的圖像及(ji)EDS能譜(pu)識別(bie)顆粒(li)主要成分為Fe
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圖(tu)二：電鏡(jing)圖(tu)像下濾膜上所(suo)有顆粒分(fen)布情況(kuang)
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圖三：濾膜上的顆粒團聚現象
針對(dui)傳統(tong)(tong)軟件的不足，歐波同(tong)集(ji)團旗下的匯鴻(hong)科(ke)技公司開發(fa)了(le)“鋰離子電池(chi)異物分(fen)析(xi)系統(tong)(tong)”（LIBIAS）。這(zhe)是(shi)集(ji)準(zhun)確、高(gao)效(xiao)和易操作功能為一(yi)體的全自動清潔度分(fen)析(xi)系統(tong)(tong)，可以實現高(gao)清BSE圖像采集(ji)拍攝和圖像處理(li)、元素定量測(ce)試等功能。包括：1）簡易上(shang)手的測(ce)試程(cheng)序，2）開放的標準(zhun)庫編(bian)輯系統(tong)(tong)，3）一(yi)鍵(jian)生(sheng)成(cheng)對(dui)應報(bao)告圖表(biao)。
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圖(tu)四：顆粒類型(xing)占比餅狀圖(tu)（左），三(san)元統計相圖(tu)（右）
匯鴻智(zhi)能(neng)(neng)科技是一家專注于工業(ye)領(ling)域(yu)微觀(guan)智(zhi)能(neng)(neng)圖像分析(xi)應用(yong)解(jie)決方(fang)案服務(wu)商。以“堅持原創，用(yong)信息技術引領(ling)工業(ye)分析(xi)”為愿景(jing)，可以為用(yong)戶(hu)提供全場景(jing)的(de)鋰(li)(li)(li)電(dian)池(chi)智(zhi)能(neng)(neng)化顯微分析(xi)解(jie)決方(fang)案。匯鴻智(zhi)能(neng)(neng)科技研發(fa)的(de)”鋰(li)(li)(li)離子(zi)電(dian)池(chi)材料顯微智(zhi)能(neng)(neng)分析(xi)系統(tong)(LIBMAS)”和“鋰(li)(li)(li)離子(zi)電(dian)池(chi)異(yi)物分析(xi)系統(tong)（LIBIAS）”，將高分辨性能(neng)(neng)的(de)掃描(miao)電(dian)鏡與智(zhi)能(neng)(neng)化的(de)分析(xi)軟件相(xiang)結合，解(jie)決從鋰(li)(li)(li)電(dian)原材料，到(dao)正負極(ji)極(ji)片、隔(ge)膜，鋰(li)(li)(li)電(dian)清(qing)潔(jie)度全系列的(de)鋰(li)(li)(li)離子(zi)電(dian)池(chi)相(xiang)關分析(xi)，助(zhu)力研究(jiu)人員開發(fa)出(chu)性能(neng)(neng)更優越的(de)鋰(li)(li)(li)電(dian)產品。
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
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