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【掃描電鏡應(yīng)用】說到安全,，電動自行車多跟電動汽車學學吧！

復(fù)納科技 2024-05-21 | 閱讀：778

掃描電鏡是用于樣品微區(qū)形貌,、結(jié)構(gòu)及成分的觀察和分析的儀器,。電子槍發(fā)射的電子束在掃描電鏡鏡筒中，通過電磁透鏡聚焦和電場加速,，入射到樣品表面,，束電子與樣品原子核或核外電子發(fā)生多種相互作用，從而產(chǎn)生各種反映樣品特征的信號,。這些信號包括：二次電子,、背散射電子,、X 射線等。其中,，二次電子和背散射電子被相應(yīng)的探頭接收,，即可獲得形貌信息；X 射線被能譜探頭接收并分析,，即可獲得成分信息,。

這可以有效的應(yīng)用在鋰電池行業(yè)的清潔度分析中。

01觸目驚心的電動自行車事故,，是偶然嗎,？

2024 年 2 月 23 日，南京雨花臺區(qū)明尚西苑居民樓火災(zāi)已致 15 人死亡,，44 人受傷,，初步分析為小區(qū) 6 棟建筑地面架空層停放電動自行車處起火引發(fā)。

電動自行車引起的火災(zāi)并非偶然,。根據(jù)國家消防救援局的統(tǒng)計,，2022 年，全國電動自行車保有量為 3 億多輛且不斷增多,，火災(zāi)風險持續(xù)上升,，全年共接報電動自行車（電動助力車）火災(zāi) 1.8 萬起，比 2021 上升 23.4%,，國家消防救援局提示,，相關(guān)風險應(yīng)予持續(xù)關(guān)注。但到了 2023 年,，全國接報的電動自行車火災(zāi)數(shù)量繼續(xù)攀升,，高達 2.1 萬起，相比 2022 年上升 17.4%,。同時,，數(shù)據(jù)顯示，有 80% 的電動自行車火災(zāi)是在充電時發(fā)生的,，其中超過一半發(fā)生在夜間充電過程中,。

02電動自行車和電動汽車，誰更安全,？

電動車較核心也是較危險的部件是電池,，針對電池的安全要求，在 2015 年就推出了針對電動汽車的國家標準《電動汽車用動力蓄電池安全要求》,，該標準在 2020 年又重新修訂,。參與標準制定和修改的企業(yè)包括了寧德時代、國軒高科,、天津力神等鋰電池大廠，也包括比亞迪、北汽,、上汽,、廣汽、吉利,、長安,、奇瑞、蔚來等大型車廠,，以及中國汽車技術(shù)研究中心,、中國電子科技集團、工信部裝備發(fā)展中心等,?？梢娬麄€產(chǎn)業(yè)和國家對電動汽車電池安全的重視程度

針對電動自行車的電池安全，直到 2022 年,，才由工信部組織起草強制性國家標準《電動自行車用鋰離子蓄電池安全技術(shù)規(guī)范》,，目前正處于審查階段，按計劃該國家標準將于 2024 年發(fā)布,。

顯然電動自行車行業(yè)對電池安全的重視程度和研發(fā)投入水平,，是遠比不上電動汽車的。據(jù)市場監(jiān)管總局消息,，2022 年,，市場監(jiān)管總局組織開展了電動自行車和電動自行車電池產(chǎn)品質(zhì)量國家監(jiān)督抽查，共對 262 家企業(yè)生產(chǎn)的 295 批次產(chǎn)品進行了檢驗,，發(fā)現(xiàn) 62 批次產(chǎn)品不合格,，抽查不合格率為 21.0%。

圖片來源：市場監(jiān)管總局官網(wǎng)

03.為什么電動汽車更安全,？

鋰電池生產(chǎn)是一個復(fù)雜的過程,，從原材料、電信,、模組,、Pack 到最終的電池系統(tǒng)。鋰電池的生產(chǎn)過程主要可以分為以下幾個步驟：

01.正極材料的制備

通常使用的正極材料包括鋰鐵磷 (LiFePO),、鋰鎳鈷錳氧化物 (NCM),、鋰鈷氧化物 (LiCoO) 等。這一步涉及到的工藝包括混合原料,、煅燒等,，目的是制備出高性能的正極材料。

02.負極材料的制備

常見的負極材料有石墨,、硅基材料等,。制備過程可能包括球磨,、熱處理等步驟，以得到具有優(yōu)良電化學性能的負極材料,。

03.電解質(zhì)的配制

電解質(zhì)是鋰離子在正極和負極之間移動的媒介,，通常是由鋰鹽溶解在有機溶劑中形成的。這一步驟需要精確控制電解質(zhì)的配比和純度,。

04.隔膜的準備

隔膜是電池內(nèi)部用來隔開正負極材料,、同時允許鋰離子通過的薄膜。隔膜的材料,、孔隙率和厚度都會影響到電池的性能,。

05.電極片的制作

將制備好的正極材料、負極材料分別涂布在金屬集流體上（正極通常使用鋁箔,，負極使用銅箔）,，然后進行干燥和壓實，制成電極片,。

06.電池組裝

在干凈的環(huán)境中,，將正極片、負極片和隔膜按照一定順序疊加,，并注入電解質(zhì),，最后封裝成電池。這一步驟可能包括堆疊,、卷繞或折疊等不同的技術(shù)路線,，具體取決于電池的設(shè)計。

07.封裝

電池組裝好后,，需要在無塵環(huán)境下將電池芯體放入外殼中,，并進行封口，確保電池的密封性和安全性,。

08.化成和老化

新制造的電池需要通過充放電循環(huán)的方式來激活,，這一過程稱為化成?；珊蟮碾姵剡€需要經(jīng)過一段時間的老化測試,，以確保其性能穩(wěn)定。

09.測試和分選

完成上述所有步驟后,，每個電池都需要經(jīng)過一系列的性能測試,，包括容量、內(nèi)阻,、循環(huán)壽命等,。根據(jù)測試結(jié)果，電池將被分選和分類,，以滿足不同應(yīng)用的需求,。

這個過程中,，每一個步驟都對電池的最終性能有重要影響，因此需要精確控制和高標準的質(zhì)量管理,。

同時,，影響電池安全的因素也有很多，包括：熱穩(wěn)定性,、金屬異物、負極析鋰,、隔膜瑕疵,、設(shè)計 / 制造缺陷、極片變形 / 微短路等,。

以金屬異物為例

鋰電池在生產(chǎn)過程中,，金屬異物的混入是一個嚴重的質(zhì)量安全隱患，因為金屬異物可以導致電池短路,，甚至引發(fā)熱失控和火災(zāi),。為了確保電池安全，針對金屬異物的檢測是非常重要的,。目前,，各大動力電池廠家都進行了深入的研究。具體檢測方法包括：

a) 全自動光鏡統(tǒng)計法

金屬表面的物理特性決定了光線不能進入金屬物質(zhì),，它會像鏡子般把所有入射光全部反射出去,。入射光在經(jīng)由金屬表面反射后，其反射光與入射光具有相同的振動方向,。如果反射光通過兩片平行的偏振片,，金屬顆粒呈現(xiàn)亮色；如果反射光通過兩片垂直的偏振片,，金屬顆粒呈現(xiàn)純黑色,。

入射光在經(jīng)過非金屬物質(zhì)后，其振動方向會發(fā)生改變（主要原因是光可以射入非金屬物質(zhì)內(nèi)部）,，經(jīng)過非金屬物質(zhì)內(nèi)部后再出來的反射光不再具有偏振性,，其方向也會發(fā)生改變。反射光通過平行和垂直的偏振片時,，其亮度變化不大,。

通過記錄、對比顆粒在不同偏振光下的圖片,，而后鑒別出金屬和非金屬顆粒,。

并非所有金屬顆粒都具有相同的危害性，例如,，在對大量失效電池進行拆解分析后發(fā)現(xiàn),，相對于不銹鋼,，銅的危害性更高。主要是因為銅離子更容易在負極析出,，析出后的生長方式呈現(xiàn)枝晶狀,，很容易刺穿隔膜。并且,，銅的電導率比鐵高了一個數(shù)量級,，一旦銅枝晶刺穿隔膜，極易導致電池內(nèi)部短路,，進一步導致電池過熱甚至起火,。為了有效評估金屬顆粒的危害性，需要知道顆粒的詳細成分,，而光學顯微鏡只能區(qū)分金屬和非金屬,，但具體是哪類金屬則無從得知。這就需要借助電子顯微鏡,。

b) 全自動電鏡統(tǒng)計法

飛納 ParticleX Battery 基于掃描電鏡+能譜法專業(yè)用于鋰電清潔度分析,，采用 CeB6單晶體燈絲，測試壽命超過 2000 小時,，可連續(xù)隔夜分析,，無需頻繁更換燈絲。大樣品倉室,，可視面積為 100×100 mm,，可放置 4 片直徑 47mm 的圓形濾膜，樣品測試自動切換,，生產(chǎn)工程師可以輕松實現(xiàn)實時監(jiān)控生產(chǎn)車間的質(zhì)量控制,。

特殊顆粒詳細信息展示：

異物顆粒分類統(tǒng)計：

ParticleX Battery

如果您對全自動鋰電清潔度分析感興趣，歡迎詳聊,。

光鏡法和電鏡法作為一種可視化的方法,，只能觀察材料表面，對于材料內(nèi)部的特征,，則需要借助顯微CT,。

c) 顯微 CT 法

顯微計算機斷層掃描（Micro-CT）是一種非破壞性檢測技術(shù)，能夠提供物體內(nèi)部的三維圖像,。在鋰電池領(lǐng)域,，顯微 CT 可以用來檢測和分析電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括檢測內(nèi)部的金屬異物,。這種方法對于理解電池的內(nèi)部機理,、評估電池的質(zhì)量以及提高電池的安全性具有重要價值。