锂电池制造工艺及装备 课件 第6章 电池制造过程检测

第6章电池制造过程检测锂电制造工艺及装备锂电制造工艺及装备制造业工程基础—装备电池制造过程检测电池故事—毛焕宇123装备制造业是为国民经济和国家安全提供技术装备的制造业的总称。它覆盖了机械、电子、武器弹药制造业中生产投资类产品的全部企业。分八大类。装备制造业是国家的战略产业，高度发达的装备制造业，是实现工业化的必备条件，是衡量国家国际竞争力的重要标志，是决定国家在经济全球化进程中国际分工地位的关键因素。装备制造业的范围1.0储能产业及装备的发展空间2025年2030年2060年复合增长率储能电池（TWh）2.0T30T7500T45%储能产值1万亿9万亿750万亿30%装备累计总价值3000亿元1万亿元30万亿20%1.1锂电装备的国内、外情况庞大的市场；不断更新；性能指标领先。国外锂电装备行业日本：老牌企业，拥有技术和经营的积累，占中国3-5%韩国：后起发展，创新能力不够，占中国5-8%德国：后来可能居上，装备先驱，厚积勃发。国内装备的综合优势：价格优势，换型升级，创新优势；核心区别在于创新升级，最后是企业利益，团体利益，国家利益，战略利益。工业基础。稳定性有待提升；装备成为锂电及新能源产业的重要支撑1.1中国制造装备产业现状2015-2020年中国工业机器人销售额及预测2019年280亿2019年500亿2019年800亿2019年700亿1.2.——国民经济的脊梁。

——高新技术的载体。——国家安全的保障。——经济增长的动力。——产业升级的手段。——企业竞争力的保障。——产品质量的保证。——财富的重要依托。装备制造业的地位和作用1.3锂电制造工艺及装备制造业工程基础—标准电池制造过程检测电池故事—毛焕宇123动力电池制造安全性公共条件：电力、真空、压缩空气污染：粉尘、杂质、异物工作环境：温度、湿度、水分环境控制制造质量设备环境：磨损异物、引入杂质、掉削浆料制造：极片制造：芯包制造：电芯装配：干燥注液：化成分容：电池制造质量与安全的挑战杂质控制毛刺控制尺寸控制异物控制水分控制PPB级控制要求制造尺度：PPM级控制PPB：partperbillion十亿分之一制造缺陷过程检测与控制电池制程测量与缺陷检查的意义在储能电池的制造工艺流程中，从前段工艺的极片制作，到中段工艺的电芯组装，到后段工艺的电芯激活检测和电池封装，尺度和缺陷的测量和检查伴随全程。储能电池制造工艺流程的检查技术和测量方法众多。从离线取样检测，到半自动人工抽检，到连续在线实时检测，到数字化车间的全网络搭建。发现不良品，便于制造商进行品质管控，维持良好的生产能力和提高储能电池的综合性能在良品中找到进一步优化的方向，为确定工艺流程提供关键信息，为电池工艺优化和品质优化提供数据支持数字化建模、分析、优化实现制造制造的基础。2.0电池制程中的测量分类依据工艺阶段划分前段工艺（极片制作）中：浆料粘度、涂布尺寸、涂布密度

等中段工艺（电芯组装）中：尺寸及精度、对齐度、过程表面质量等后段工艺（电芯激活检测和电池封装）中：电压、循环深度等依据测量手段划分视觉类，如涂布表面质量检测、对齐度、X-ray、毛刺等。超声波类，如焊接质量等。电子仪器类，如短路电阻、断路电阻、热压温度、电芯重量等。化学分析类，如粘度、颗粒度、固含量、电解液密度等。依据在线与否划分取样离线测量，如固含量、涂布密度、粘接力等。抽样在线测量，如：Overhang、热影响区宽度、表面质量等。完全在线测量，如：张力、冷压压力、热压压力等。2.1电池制程工艺2.1软包视频电池制程中的测量内容介绍粘度定义指合浆粘度，包含正极浆料、胶粘剂和负极浆料、胶粘剂等流体的粘度。影响会影响涂布速率和厚度控制水平，偏高时会造成涂布困难、边缘锯齿严重等不良，过低时不能形成稳定的涂布层测量方式离线测量和在线测量。离线测量：在浆料缓存罐中定时取样，采用粘度计进行离线测试。易受人员操作水平、测量仪器的影响，测量时间滞后，无法快速进行过程控制。在线测量：借助在线粘度计进行测试。受温度、压力、流动速度等因素的影响大。在实际生产中，离线和在线均有应用互为印证。2.2表面缺陷定义划痕、露箔、颗粒、裂纹等表面缺陷。影响严重影响电池的安全性和使用寿命测量方式传统的人工检测方法和基于机器视觉的非接触检测。手工检测效率低，劳动强度大，检测质量无法保证,不能满足锂电池大批量生产的需要。应用机器视觉可以准确、高效地对锂电池极片进行检测,从而提高生产效率、降低成本。目前,对于动力锂离子电池极片表面缺陷,主要是基于机器视觉的非接触检测,利用图像处理,可以发现缺陷、提取缺陷并描述缺陷。2.2电池制程中的测量内容介绍张力定义物体受到拉力作用时，存在于其内部且垂直于两相邻部分接触面上的相互牵引力。带材张力，带材受到的沿走带方向的力与垂直于走带方向的截面面积之比。锂电制造工艺中，有2种类型的张力：涂布带材张力、卷绕/叠片工艺中的带材张力（极片和隔膜）。张力的衡量单位为Mpa。在特定的锂电制造应用中，也选用gf和N作为张力的度量单位。影响涂布时，张力过大会导致材料的变形、甚至断裂，过小又会因为松弛导致跑偏；张力不稳会使极片活性物质涂覆不均匀，造成生产品质问题。卷绕/叠片中，张力波动会导致带材出现起皱、松动、断裂和电芯表面凹凸不平等现象，影响电芯品质测量方式借助张力计进行在线实时测量2.2电池制程中的测量内容介绍熔珠定义激光切割制片的产物的一种，因“形状如珠”而得名熔珠，为极细小的显微金属颗粒。激光制片的原理是利用激光束照射被切割的极片，使其迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点而形成孔洞，光束移动形成连续空洞完成切割。制片过程中，切割边缘材料气化飞溅，落至极片上冷凝形成熔珠影响

过大的熔珠会造成电池短路，影响电芯品质和电池安全测量方式离线测量。在切割完的极片边缘取样，借助显微放大技术度量熔珠的尺寸，常以特征尺寸的最大值和均值、给定面积内熔珠特征的数量等物理量来度量2.2电池制程中的测量内容介绍毛刺定义圆盘分切和模具冲切制片的产物的一种，因“形状如刺”而得名毛刺。有横向毛刺和纵向毛刺两种。成因复杂，多与极片材料特性有关，也与分切工艺参数和冲切参数有关。衡量物理量为在约定方向（横向或纵向）上毛刺前端距离基准面的距离。影响

过大的毛刺会造成电池短路，影响电芯品质和电池安全测量方式工程上，多为离线测量。在切割完成的极片边缘取样，借助显微放大技术度量毛刺的尺寸。近些年，毛刺的在线测量被提出，也引起了相关人员的注意，但是因工况的特殊性，未有应用。2.2电池制程中的测量内容介绍热影响区定义激光切割极片成型的过程中，输入的激光能量使材料局部受热，导致激光辐射区域附近的温度上升、材料性质发生改变的现象。影响热影响区降低了表层材料的活性，且会增大切缝边缘表层材料脱落的风险，影响电芯品质和电池安全测量方式离线测量。在切割完成的极片边缘取样，借助显微放大技术度量热影响区的尺寸2.2电池制程中的测量内容介绍拉丝定义模具冲切制片的产物的一种，因“形状如丝”而得名拉丝。拉丝的成因复杂，多与极片材料及特性参数有关，也与冲切工艺参数有关。衡量物理量为在约定方向上拉丝/露箔前端距离基准线的距离。影响拉丝会增大边缘表层材料脱落的风险，脱落的材料进入电芯可能会导致短路，影响电芯品质和电池安全测量方式离线测量。在切割完成的极片边缘取样，借助显微放大技术度量拉丝的尺寸。2.2电池制程中的测量内容介绍Overhang和对齐度定义Overhang为锂电工程中的习惯用语，本意指“悬垂部分”，在锂电行业指给定边缘（通常为两个不同边缘）的距离。三种类型的overhang：隔膜-正极的Overhang、隔膜-负极的Overhang和正极-负极的Overhang。在某些工艺要求中，亦要求隔膜-正极陶瓷涂层的Overhang。四种类型的对齐度：隔膜对齐度、正极对齐度、负极对齐度和极耳对齐度影响Overhang和对齐度不良可能会导致短路，影响电芯品质和电池安全测量方式常用的测量方法有两种：离线每日/班次首件抽检和在线CCD测量、X-Ray测量2.2电池制程中的测量内容介绍制造过程中的缺陷检查方法常用检查方法视觉类，如：基于CCD测试系统的overhang（对齐度）的测量方法；基于显微放大系统毛刺测量方法；基于X-CT测试系统的电芯内部缺陷检查方法；等超声波类，如：基于超声系统的焊接质量检查方法；等电子仪器类，如：基于电阻测试仪的短路、断路检查方法；基于称重系统的电芯重量及一致性测量；基于张力计的带材张力测量方法；等化学分析类，如：基于粘度计的粘度测量；等

。2.3测量量/缺陷涂布重量：极片重量与基材（箔材）重量之差。涂布密度：单位面积内涂覆物质的质量。为涂布重量与涂布面积之比。常用设备射线面密度仪（两种：β射线面密度测量仪和X射线面密度测量仪）在理想条件下，“窄束”单能X射线透射物质材料时，穿透后射线的强度随穿透物体面密度的增加而呈指数规律衰减，故X射线的面密度的基础理论计算公式与β射线相同。在工程应用中，由于X射线与物质相互作用过程中产生的散射射线，所以衰减规律的计算过程引入系数k和b如下，系数k、b由标定实验而得到。通过检测射线穿透极片前后射线强度，计算出极片的厚度和面密度。制造过程中的缺陷检查方法2.3测量量/缺陷涂布、激光切割、卷绕和叠片等工艺中的带材厚度涂布、激光切割、卷绕和叠片等工艺中的带材张力常用设备激光测厚仪张力计激光测厚仪：上下传感器分别测量被测体上表面和下表面的位置，通过计算得到被测体的厚度。激光测厚仪的优点：非接触的测量，相对接触式测厚仪更精准，不会因为磨损而损失精度。

相对超声波测厚仪精度更高。相对X射线测厚仪没有辐射污染。在电池制造中，常用应变片型张力计。通过压缩应变片间接测量张力值。通过张力辊和测张辊形成一定的包角，通过测张辊加压力，使张力传感器敏感元件产生位移或者形变，根据应变片电阻值的变化再通过内置处理器可计算得到所要测量的拉力值。制造过程中的缺陷检查方法2.3测量量/缺陷表面电阻：在试样表面上的两电极间所加电压与在规定的电化时间里流过电极间的电流之比。表面电阻率，又称表面比电阻：指涂布完成后极片单位面积的表面电阻，表征极片电性能的重要参数，代表单位面积极片表面对正方形的相对二边间表面泄漏电流所产生的电阻。表面电阻率的大小与电介质的结构和组成、电压、温度、材料的表面状况、处理条件和环境湿度有关。环境湿度对表面电阻率的影响极大。在相同条件下，表面电阻率愈大，绝缘性能愈好常用设备电阻测试仪（采用三电极装置）直接法：测量加在试样上的直流电压和流过它的电流而求的未知电阻。比较法，又名电桥法：是确定电桥线路中试样未知电阻与电阻器已知电阻之间的比值，或是在固定电压下比较通过这两种电阻的电流制造过程中的缺陷检查方法2.3测量量/缺陷纠偏量（对齐度；overhang值）常用设备纠偏仪（又称纠偏装置、纠偏机构等。指在涂布工艺、激光切割工艺、卷绕工艺、叠片工艺等工艺中广泛使用的，用以控制带材跑偏量、保证运行平稳的设备或机构）：自动对中纠偏or

蛇形纠偏自动对中纠偏常用辊形带材在棍子上的运动示意单锥辊示意

制造过程中的缺陷检查方法2.3测量量/缺陷纠偏机构及纠偏原理（对齐度；overhang值）常用设备纠偏仪（又称纠偏装置、纠偏机构等。指在涂布工艺、激光切割工艺、卷绕工艺、叠片工艺等工艺中广泛使用的，用以控制带材跑偏量、保证运行平稳的设备或机构）：自动对中纠偏or

蛇形纠偏蛇形纠偏运动模型蛇形纠偏动力学模型蛇形纠偏的运动模型如下，其中A、D为堕辊，B、C为可绕着旋转中心偏摆的辊。因在纠偏过程中，B、C辊的运动轨迹如蛇的爬行运动而得名蛇形纠偏制造过程中的缺陷检查方法2.3测量量/缺陷实时检测涂布表面缺陷、卷绕工艺的Overhang和对齐度的在线测量、叠片工艺的Overhang和对齐度的在线测量、铝壳的表面缺陷的在线测量常用设备CCD测试系统采用CCD摄像机配合镜头，在适当的距离下在正上方进行图像采集。因为涂布后极片表面会对直射光源有较强的反光，所以光源的位置放在摄像机的侧面。采用两个光源从两侧照射，是为了使光源在倾斜的角度照射极片表面的情况下依旧可以得到均匀的光照，有利于采集到清晰的图像。采集到的图像上传处理单元，借助图像处理技术及算法，可以得到表面缺陷参数。制造过程中的缺陷检查方法2.3常用检查方法X-CT技术及测试系统

该技术借助穿透性强的X射线，可以获得较高的空间分辨率，可以对电芯和电池电极层、内部缺陷、焊接质量等进行无损伤三维成像，进而实现原位检测。超声检测系统对锂电池内部缺陷进行检测，如电解液分布是否均匀、焊接质量、是否存在空气层、是否内部打折、是否有异物等红外热成像系统测量锂电池的涂布、电芯和成品电池的温度情况植入式感知系统基于单体电池内部和外部的在线数据实时监测，建立从单体锂离子电池到储能系统的智能管理系统电芯原位（在线）缺陷检查方法2.4X-CT技术及测试系统X射线断层成像技术（X—raycomputetomography，简称X—CT技术），基于X光源和射线聚焦技术的显微技术、断层扫描技术和图像处理技术的集成技术求出体素矩阵中每个体素的衰减系数计算CT值根据CT值建立断层图像；图像中每个像素灰度的强弱是根据CT值的大小确定。基于X-CT技术获得的图像+图像分析技术电芯和电池电极层、内部缺陷、焊接质量的相关参数2.4电芯原位缺陷检查方法X-CT技术及测试系统超声检测系统在锂电行业中使用的超声检测系统多数采用空气耦合超声波。该技术具有非接触、无污染和无损等优点。2.4电芯原位缺陷检查方法红外热成像系统基于红外热像仪测量锂电池的涂布、电芯和成品电池的温度情况。把被测表面的温升以图像形式展现出来，测得的不是单一点的温度变化，被测表面各个点的温度，有异常温度变化的部位在热像图中很容易看出，综合电性能测试，可以对被测对象做直观的检测和判断。在某工程应用中，利用红外成像技术同时检测电极的涂布量（面密度）和电极的孔隙率2.4电芯原位缺陷检查方法植入式感知系统又称储能锂离子电池智能传感技术。通过在电池内部嵌入传感装置，利用引线封口或无线传输等手段，实现对锂离子电池内部信息，如温度、压力等，的实时检测。有利于更有效地评价电池内部状况。目前，主要以温度传感器为主。植入式温度传感器主要有三种：热电偶、热电阻和光纤传感器。该内置感知系统，基于内部电化学环境及磁控溅射手段完成了多点式柔性薄膜传感器的制造，并实现植入式传感器与电池的一体化