1. 金屬異物對鋰電池安全性的影響
鋰離子電池正極材料中金屬異物(包括鐵、鎳、銅、鋅、鉻等)的含量對鋰電池的性能有較大影響。金屬異物在電池化成階段會(huì)先在正極氧化再到負(fù)極還原,當(dāng)負(fù)極處的金屬單質(zhì)累積到一定程度會(huì)形成枝晶,導(dǎo)致隔膜穿孔,造成電池內(nèi)部短路,提高電池的自放電率,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)姵仄鸹稹⒈ǎ绊戨姵氐陌踩阅堋D壳皩饘佼愇锏墓芸厮揭呀?jīng)成為衡量鋰離子電池正極材料生產(chǎn)線最核心的指標(biāo)之一。
由于動(dòng)力鋰電池的最終客戶為汽車公司(如大眾,寶馬,戴姆勒等),對于金屬異物的檢測標(biāo)準(zhǔn)也基本沿用燃油汽車清潔度標(biāo)準(zhǔn)(德國的汽車工業(yè)聯(lián)合會(huì)推出的 VDA19)的相關(guān)概念。VDA19 中對于異物的評估方法主要包括:稱重法,光鏡法、電鏡法、拉曼法等,其中光鏡法和電鏡法作為可視化的方法,得到了廣泛應(yīng)用。
2. 光學(xué)顯微鏡檢測的原理及結(jié)果
金屬表面的物理特性決定了光線不能進(jìn)入金屬物質(zhì),它會(huì)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(dòng)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(dòng)方向會(huì)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(huì)發(fā)生改變。反射光通過平行和垂直的偏振片時(shí),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。具體測試結(jié)果如下:
3. 光鏡檢測的局限性
3.1 無法區(qū)分金屬顆粒的詳細(xì)分類
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(jìn)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?yàn)殂~離子更容易在負(fù)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(dǎo)率比鐵高了一個(gè)數(shù)量級,一旦銅枝晶刺穿隔膜,極易導(dǎo)致電池內(nèi)部短路,進(jìn)一步導(dǎo)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(xì)成分,而光學(xué)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。
3.2 會(huì)造成金屬與非金屬的誤識(shí)別
根據(jù)光反射原理的分析,要求濾膜上的金屬顆粒要反光發(fā)亮。由于污染物顆粒在零件加工過程中暴露于液體、高溫和摩擦環(huán)境中,因此它們的表面會(huì)因?yàn)楦g等原因而不反光,呈現(xiàn)暗色。這些金屬顆粒在光學(xué)顯微鏡下,會(huì)被錯(cuò)誤地分類為非金屬顆粒。在如下示例中,顯示了三個(gè)顆粒(鋅,鋼和鋁),這些顆粒通過光學(xué)顯微鏡確認(rèn)為非金屬。然而,SEM+EDX 分析顯示了這些顆粒的金屬性質(zhì)。
3.3 對小尺寸顆粒的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性較低
光學(xué)顯微鏡的分辨率較低(相比電子顯微鏡要低 2-3 個(gè)數(shù)量級),其對小尺寸顆粒的測試準(zhǔn)確性也較低。以下與 SEM+EDX 統(tǒng)計(jì)結(jié)果的比較,顯示了光學(xué)顯微鏡的錯(cuò)誤分類有多嚴(yán)重。由汽車供應(yīng)商提供的同一片濾膜,分別進(jìn)行了光學(xué)顯微鏡的顆粒分析以及 SEM+EDX 的測試分析,并進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示,通過光學(xué)顯微鏡檢測的金屬顆粒數(shù),不到實(shí)際金屬顆粒的 1/60。
3.4 無法分析顆粒的可能來源
鋰電池清潔度分析的意義,一方面是對清潔度的水平進(jìn)行評估,另一方面,希望通過對金屬顆粒的分析,確定其產(chǎn)生原因,并回溯至對應(yīng)的生產(chǎn)工序,進(jìn)行針對性的管控,從而提升產(chǎn)線的清潔度水平。
由以上分析可知,光學(xué)顯微鏡提供的關(guān)于金屬顆粒形態(tài)和成分的信息有限,無法分析顆粒的可能來源,對清潔度水平的提升幫助有限。
因此,全自動(dòng)鋰電清潔度分析方案應(yīng)運(yùn)而生。Phenom ParticleX 以臺(tái)式掃描電鏡和能譜儀為硬件基礎(chǔ),可以全自動(dòng)對顆粒或雜質(zhì)進(jìn)行快速識(shí)別、分析和分類統(tǒng)計(jì),為客戶的研發(fā)以及生產(chǎn)提供快速、準(zhǔn)確和可靠的定量數(shù)據(jù)支持。小編將在下一篇為大家詳細(xì)講述。