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【掃描電鏡應用】說到安全,電動自行車多跟電動汽車學學吧!

發布時間: 2024-05-21  點擊次數: 162次

掃描電鏡是用于樣品微區形貌、結構及成分的觀察和分析的儀器。電子槍發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生多種相互作用,從而產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。

這可以有效的應用在鋰電池行業的清潔度分析中。

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01觸目驚心的電動自行車事故,是偶然嗎?

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

電動自行車引起的火災并非偶然。根據國家消防救援局的統計,2022 年,全國電動自行車保有量為 3 億多輛且不斷增多,火災風險持續上升,全年共接報電動自行車(電動助力車)火災 1.8 萬起,比 2021 上升 23.4%,國家消防救援局提示,相關風險應予持續關注。但到了 2023 年,全國接報的電動自行車火災數量繼續攀升,高達 2.1 萬起,相比 2022 年上升 17.4%。同時,數據顯示,有 80% 的電動自行車火災是在充電時發生的,其中超過一半發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,以及中國汽車技術研究中心、中國電子科技集團、工信部裝備發展中心等??梢娬麄€產業和國家對電動汽車電池安全的重視程度

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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規范》,目前正處于審查階段,按計劃該國家標準將于 2024 年發布。

顯然電動自行車行業對電池安全的重視程度和研發投入水平,是遠比不上電動汽車的。據市場監管總局消息,2022 年,市場監管總局組織開展了電動自行車和電動自行車電池產品質量國家監督抽查,共對 262 家企業生產的 295 批次產品進行了檢驗,發現 62 批次產品不合格,抽查不合格率為 21.0%。

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圖片來源:市場監管總局

03.為什么電動汽車更安全?

鋰電池生產是一個復雜的過程,從原材料、電信、模組、Pack 到最終的電池系統。鋰電池的生產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,以得到具有優良電化學性能的負極材料。

03.電解質的配制

電解質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的配比和純度。

04.隔膜的準備

隔膜是電池內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,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路線,具體取決于電池的設計。

07.封裝

電池組裝好后,需要在無塵環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的方式來激活,這一過程稱為化成?;珊蟮碾姵剡€需要經過一段時間的老化測試,以確保其性能穩定。

09.測試和分選

完成上述所有步驟后,每個電池都需要經過一系列的性能測試,包括容量、內阻、循環壽命等。根據測試結果,電池將被分選和分類,以滿足不同應用的需求。

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量管理。

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

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以金屬異物為例

鋰電池在生產過程中,金屬異物的混入是一個嚴重的質量安全隱患,因為金屬異物可以導致電池短路,甚至引發熱失控和火災。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) 全自動光鏡統計法

金屬表面的物理特性決定了光線不能進入金屬物質,它會像鏡子般把所有入射光全部反射出去。入射光在經由金屬表面反射后,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,金屬顆粒呈現亮色;如果反射光通過兩片垂直的偏振片,金屬顆粒呈現純黑色。

入射光在經過非金屬物質后,其振動方向會發生改變(主要原因是光可以射入非金屬物質內部),經過非金屬物質內部后再出來的反射光不再具有偏振性,其方向也會發生改變。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。

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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現,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枝晶狀,很容易刺穿隔膜。并且,銅的電導率比鐵高了一個數量級,一旦銅枝晶刺穿隔膜,極易導致電池內部短路,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) 全自動電鏡統計法

飛納 ParticleX Battery 基于掃描電鏡+能譜法專業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,生產工程師可以輕松實現實時監控生產車間的質量控制。

特殊顆粒詳細信息展示:

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異物顆粒分類統計:

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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,能夠提供物體內部的三維圖像。在鋰電池領域,顯微 CT 可以用來檢測和分析電池內部結構,包括檢測內部的金屬異物。這種方法對于理解電池的內部機理、評估電池的質量以及提高電池的安全性具有重要價值。

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04.要怎么做

01.國家

多年來,我國缺少電動自行車鋰電池強制性國家標準,鋰電池質量參差不齊,導致安全事故頻發。為從源頭防范事故發生,提高和完善電池安全標準刻不容緩。

2022 年由工業和信息化部組織起草的強制性國家標準《電動自行車用鋰離子蓄電池安全技術規范》已經完成了起草和征求意見階段,目前正處于審查階段。希望這項強制性國家標準盡快發布實施,并嚴格執行。

02.企業

希望給電動自行車提供鋰電池的廠家能夠參考電動汽車鋰電池生產安全規范,借鑒同行業更先進的檢測方法和檢測標準。提升產品的安全性,降低產品不良品率。

03.個人

提升安全意識,做到以下幾點:

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