如何在電池電極片制造和電池組裝的檢驗和質量控制中檢測毛刺并確定其潛在的破壞風險
毛刺是電池電極片邊緣可能出現的缺陷，例如在制造過程中的分切環節。它們可能會因諸如短路等故障導致電池性能下降，并引發安全和可靠性問題。毛刺檢測是電池生產質量控制的重要部分，對于生產具有可靠性能和壽命的電池至關重要。通過適當照明的光學顯微鏡可以在生產過程的關鍵步驟中快速可靠地對電極上的毛刺進行視覺檢測。
電池電極片毛刺檢測
毛刺是電池電極片邊緣不需要的金屬突起，通常是由于電池制造過程中分離工序的分切或集流體的焊接造成的。毛刺可能有害，因為它們可能會撕裂或劃破電極的隔膜層。這可能導致電池的正極（陰極）和負極（陽極）之間發生熱失控和短路等問題 [1,2]。因此，在電池生產過程中，進行高效的在線檢測以發現和分析毛刺至關重要。
為什么需要進行毛刺檢測？
如上所述，毛刺可能導致電池性能下降甚至失效，因此必須在制造過程中仔細檢查其存在。由于工具的不對準或磨損，在電池生產的分切和電極成型過程中很難避免毛刺的產生（參見圖1的電池電極制造和電池組裝）。因此，毛刺檢測和分析是檢查和質量控制的關鍵部分 [1-3]。
電池生產過程中的質量控制（QC）需要在電池組件生產的關鍵步驟中進行目視檢查，以確保符合規格。
圖1：顯示了電池生產的各個步驟的示意圖，包括電極片制造、電池組裝和電池完成。在分切和電極片成型過程中，可能會產生毛刺。
在制造過程中檢測電池電極片邊緣的毛刺非常重要，因為具有特定大小的毛刺可能會損壞陽極和陰極電極之間的隔膜，并導致短路（參見圖2）。因此，必須分析它們的大小，以確定它們是否具有較低的或較高的對電池系統造成損害的可能性。IEEE 1625標準[4]的第5.3.6.2節建議測量毛刺并將其與隔膜厚度公差限值進行比較。毛刺檢查通常是通過使用光學顯微鏡觀察電極片的邊緣或側面來進行的。
圖2：鋰離子電池橫截面示意圖，顯示了陰極（正極）和陽極（負極）電極上的毛刺延伸到隔膜中，其中“pd"表示穿透距離。
如果在檢查過程中發現具有關鍵長度的毛刺，那么可能需要調整一些工藝，并需要檢查、調整或更換諸如滾刀等工具，然后才能進行后續生產。
毛刺檢測和分析的方法
對電池電極片和其他組件上的毛刺進行高效、可靠的檢測和分析至關重要。這可以通過在電池生產過程中使用光學顯微鏡進行在線目視檢查來實現。關鍵毛刺的尺寸判斷很大程度上決定了所需光學顯微鏡的性能水平。
適當的顯微鏡應確保快速、高效、可靠和準確的毛刺檢測。需要考慮的一些重要因素是照明和對比度方法、分辨率、放大倍數、圖像的快速捕獲和存儲、輕松訪問存儲的數據以及實用測量工具的可用性 [5,6,7]。
在電池生產過程中選擇適當的照明來檢測毛刺可能很重要。根據毛刺的大小，可以使用不同的照明方法[7]，如環形光、近垂直光、漫射光和偏振光，以實現更準確和可靠的檢測。偏振光有助于在觀察電極邊緣時提高與背景的對比度。漫射照明可能減少金屬毛刺產生的眩光，簡化檢測過程。檢測顯微鏡還應提供對存儲的毛刺圖像和測量數據的輕松訪問。
為了使檢測顯微鏡在電極片檢測過程中能夠迅速可靠地檢測毛刺，它應該具備以下特點：
無需樣品制備
能夠通過合適的照明（從多種照明選項中選擇）實現良好的毛刺良好可視化
通過易于使用的軟件實現實用且準確的圖像分析
使檢測結果的記錄和分享變得簡單直接
圖3：一個電池電極片，其邊緣有毛刺（用紅色箭頭標記）。該圖像是用DVM6數碼顯微鏡拍攝的。
使用徠卡檢測解決方案進行毛刺檢測和分析
用戶可以在徠卡顯微鏡解決方案的幫助下加快生產過程并提高電池質量 [5-7]。適當的顯微鏡取決于需要檢測的關鍵毛刺尺寸和檢查類型，例如是在線檢查還是離線檢查。對于故障分析和研發，毛刺檢測也可能是必要的。
通常，對于可靠且高效的在線檢查，關于檢測大于15µm的毛刺，Emspira 3數碼顯微鏡會是一個很好的選擇。Emspira 3可用于高效的在線檢查。
圖4：確定電池電極片邊緣毛刺的長度：使用DVM6數碼顯微鏡僅使用環形光（A）和帶有交叉偏振器的環形光以減少眩光（B）獲取的毛刺圖像。
對于快速且可靠的在線和離線檢查，以檢測大于2µm的毛刺，DVM6數碼顯微鏡更為合適，因為它提供了更高的分辨率和放大倍數。涉及故障分析和研發過程中毛刺檢測的應用也可以用DVM6來解決。
在某些情況下，即使是小到0.6µm的毛刺，無論是在線檢查還是離線檢查、故障分析或研發，都可能需要檢測和分析。對于這種需求，DM8000 M或DM12000 M復合顯微鏡可以提供所需性能。
總結與結論
電池生產過程中毛刺的檢測是質量控制（QC）的重要部分。電池電極片上的毛刺可能導致短路、熱失控以及電池性能和壽命的降低。因此，快速準確地識別可能損壞電池系統的毛刺是維持所需電池性能并最小化故障風險的關鍵。這也有助于減少浪費，例如電極材料，并提高效率和成本效益。結合適當選擇的照明方式的光學顯微鏡可以提供一種快速可靠的方法來識別和分析毛刺。
參考資料：
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