使用FLIR红外热成像技术进行电池检测

为了保持竞争力，使用红外热成像技术进行电池检测变得越来越重要。锂离子电池 (LIB) 制造商面临的挑战是最大限度地提高电池性能并降低成本，以保持采用 LIB 技术的经济吸引力。

从牙刷到汽车、从耳机到移动设备、从玩具到半挂卡车，锂离子电池技术几乎渗透到了所有领域。因此，对电池材料、电极设计创新、制造工艺改进和充电密度优化的需求不断增加。

在本文中，我们讨论了如何在制造过程的各个阶段使用热成像和无损检测 (NDT) 进行电池检测，以最大限度地减少电极缺陷、优化材料使用并确保产品质量。

锂离子电池结构

电芯是锂离子电池的重要组成部分，通常由正极、负极、电解质和隔膜等四个主要部分组成，每个部分都是由不同材料组成。

正极材料

锂电池的正极材料通常为金属氧化物，例如：LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等。锂离子电池正极材料的特点是容量高、性能稳定、价格较高。

负极材料

锂电池负极材料一般使用石墨，因为它具有较高的电导率、很好的化学稳定性和结构稳定性。

电解质

锂离子电池的电解质通常是有机碳酸酯，例如：EC、DEC、DMC、EMC等。电解质的主要作用是充当离子媒介，传递锂离子。

隔膜

锂电池隔膜材料通常使用聚烯烃或玻璃纤维等材料制成，隔离正极和负极的电流，并允许锂离子在两极之间流动。

电池检测剖析

锂离子电池操作

锂离子电池的运行完全取决于锂离子在阴极 (+) 和阳极 (-) 电极之间的来回移动。充电时离子朝一个方向移动（吸收能量），放电时离子朝相反方向移动（提供能量）。当离子不再流动时，电池要么充满电，要么放电完毕。

充电阶段（吸收功率）

在充电阶段，在外部电源的作用下，锂离子会通过隔膜和电解质从正极迁移到负极。与此同时，电子会从正极流向负极，但与锂离子不同，电子无法穿过隔膜，而是绕着外电路走不同的路径。到达负极后，电子和离子会结合。当没有更多离子可以流动时，电池已充满电并可以使用。

电池检测剖析

放电阶段（电源来自）

在放电阶段，阳极中的锂原子被电离并与电子分离。锂离子通过隔膜和电解质从负极阳极迁移到正极阴极。同时，自由电子通过外电路从阳极流向阴极电极，为笔记本电脑等外部设备供电。离子和电子在阴极重新结合，变为电中性。当没有更多离子可以流动时，电池已完全放电，需要充电才能再次供电。

电池检测剖析

锂离子电池制造工艺

下图说明了电池制造过程，其中包括三个主要部分：电极准备、电池组装和电池电化学活化。

电池制造流程

1. 浆料制备：

将活性物质（AM）、导电剂、粘合剂与溶剂混合，形成均匀的浆体。

2. 涂敷及干燥：

将浆料泵入狭缝模具，涂覆在集流体（阴极为铝箔，阳极为铜箔）的两侧，并输送至干燥设备以蒸发溶剂。

3.压延：

电极通过双缸压机进行压缩。这将有助于调整电极的物理特性（粘合性、导电性、密度、孔隙率等）。

4.切割电极：

将完成的电极冲压并切割成所需尺寸，以适应电池设计。然后将电极送入真空炉以去除多余的水分。

5.电池组装：

电极制作好后，连同隔膜一起送入烘干室，进行电池生产。电极和隔膜被一层层卷绕或堆叠起来，形成电池的内部结构。铝片和铜片分别焊接在正极和负极集流体上。

6. 电解质填充与形成：

然后将电池组转移到设计的外壳中。制造商根据电池应用使用各种包装。在最终密封之前，外壳中充满电解质，完成电池生产。

电池/电极性能

从根本上讲，任何影响电池内锂离子在阴极和阳极之间流动的因素都会影响电池的性能。因此，电池的设计、制造和操作应以优化离子和电子流动为目标。

在制造过程中，有时电池产品可能会出现缺陷和瑕疵。例如，在涂层和干燥步骤中，成型电极可能容易受到以下因素的影响：

• 复合材料铺展不均匀/厚度变化
• 碳与聚合物粘合剂比率的变化
• 划痕
• 气泡/水泡

污染颗粒进入电极箔还可能导致其他性能受损。在涂层、压延和分切过程中，电极箔可能会暴露在生产环境中的脱层颗粒、磨损的金属颗粒和灰尘中。

引入的污染物、缺陷和裂纹会对离子/电子在电化学电池内传播的能力产生不利影响，从而降低电池性能。

用于电池检测和质量控制 (QC) 的热成像技术

红外热成像已被证明是一种有效的无损检测方法，适用于多种行业的各种应用。红外热像仪的基本操作基于辐射传热原理。红外热像仪内部有一个焦平面探测器元件阵列，可以“看到”从物体表面辐射的红外光。红外热像仪探测器捕获的辐射被数字化，转换为数据，并显示为可在可见光谱中查看的图像。某些红外热像仪经过辐射校准，可记录和显示测量单位。红外热像仪配有不同的传感器和像素分辨率，可以查看特定的红外波段。

用于电池检测和质量控制 (QC) 的先进热成像技术

用于电池检测的闪光热成像技术

使用热成像技术进行电池检测涉及激发目标，并且已被证明在检测电池电极的缺陷和污染物方面最有效。闪光红外热成像是一种主动热成像技术，其中目标暴露在热能闪光下，随后表面温度的变化由红外热像仪监测。计算机获取热波信号序列，并进行实时图像信号处理和分析，揭示热能如何从表面传递到目标内部。如果目标有空隙或缺陷，热传导路径将被中断。这些中断会导致表面温度差异，而红外热成像技术可以检测到这些差异。

用于电池检测的闪光热成像技术

一般来说，温度曲线的上升表明存在污染物和团聚物，而温度曲线的下降则表明存在针孔和起泡。

另一个电池检测应用在电池组装阶段之后直接使用主动闪光热成像技术，在此阶段，阳极和阴极电极被焊接在一起，并连接避雷器片。焊接至关重要，因为它们决定了内部接触电阻，从而影响充电时间、功率输出和热量产生。此外，焊接强度的耐磨性和疲劳性将决定电池的使用寿命。

通过使用先进的热成像技术分析焊缝中的热传播，可以确定焊缝结构和电导率。一般来说，高热导率表示焊缝良好、均匀、穿透性好且电流为正。

电池性能下降因素

结论

电池检测和监控生产过程中的电极、电池芯和电池组有助于及早发现故障和缺陷，从而快速调整生产条件。识别更接近生产点的产品质量问题将减少废品、提高产品质量并优化生产成本。

事实证明，红外热成像是一种有效的在线无损检测方法，可用于评估和诊断锂离子电池的生产。它可用于识别电极制造阶段引入的污染颗粒和缺陷的形成。此外，使用红外热成像的电池检测可成为评估电池制造和电池包装中焊缝的有效工具。

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