Solución de aplicación integral de múltiples escalas y múltiples módulos en la industria de baterías de litio (fotoelectricidad):

Potenciación sinérgica del microscopio de luz, el microscopio electrónico y el microscopio de rayos X de Cai si

Introducción: el "desafío de escala" de la investigación y el desarrollo y la producción de baterías de litio

Como portador central de la nueva industria energética, las baterías de litio mejoran su rendimiento (como la densidad de energía).> 300 Wh / kg), garantías de Seguridad (como la inhibición del descontrol térmico) y optimización de la vida útil (como el ciclo)> 5000(segundo) depende en gran medida de la comprensión precisa de la microestructura de los materiales, los defectos de los componentes y los mecanismos de Envejecimiento. Sin embargo, el análisis de fallos o la optimización del rendimiento de las baterías de litio se enfrentan a problemas típicos.“Problemas multiescala"-Desde defectos macroscópicos de encapsulamiento de módulos de batería (nivel milimétrico) hasta electrodos/.La microestructura del diafragma (nivel de micrones), pasando por la interfaz y el límite de grano de las partículas activas (nivel nanométrico), la tecnología de caracterización única es difícil de cubrir las necesidades de toda la cadena.

Zeiss se basa en microscopía óptica (microscopía óptica), microscopía electrónica (microscopía electrónica) yXMicroscopía de rayos x..XRM) acumulación tecnológica en el campo, lanzamiento de una solución integral de múltiples módulos "fotoelectricidad", a través del posicionamiento rápido de los espejos ópticos,XRMEl análisis estructural tridimensional no destructivo, el análisis de alta resolución A nivel nanométrico de la microscopía electrónica y la sinergia entre los tres han logrado desde el "descubrimiento de defectos".",La cobertura de todo el proceso de "trazabilidad del mecanismo" proporciona soporte técnico clave para la investigación y el desarrollo, producción y evaluación del Servicio de baterías de litio.

Soluciones de la industria Zeiss

I. espejo de luz: "primera red de detección" de defectos macro

En el proceso de producción de baterías de litio, los defectos macro (como las rebabas polares, la estratificación de encapsulamiento y la contaminación por cuerpos extraños) son los incentivos directos para los cortocircuitos y el descontrol térmico, que deben identificarse e interceptarse rápidamente en una etapa temprana. Microscopio óptico Zeiss (por ejemploAxio Zoom. V16Microscopio digital,Imagen AxioSerie) conAlta resolución (resolución del plano óptico)0,7 μm), campo de visión grande (diámetro máximo del campo de visión)≥23mm), iluminación flexible (campo abierto)/.Campo oscuro/.Luz polarizada)Como ventaja central, se ha convertido en el control de calidad de la línea de producción.“ojo",.

Axio Zoom. V16Microscopio digital

Escenarios de aplicación típicos:

Detección de defectos en la fabricación de placas polares: para el proceso de corte de troquelado / láser de las placas polares positivas y negativas, el espejo óptico puede escanear rápidamente el borde de las placas polares y reconocer automáticamente el tamaño de las rebanadas (longitud / anchura / ángulo) a través de imágenes de alto contraste (como la diferencia de reflexión entre las rebanadas mejoradas por el modo de campo oscuro y el sustrato), con una precisión de hasta submicron. Por ejemplo, las baterías de litio de potencia requieren una longitud de Burr de placa polar ≤ 50% del espesor del diafragma (espesor del diafragma convencional de 12 - 16 micras, correspondiente a la necesidad de Burr < 6 - 8 micras), y el espejo de luz combinado con el software de análisis de imágenes puede contar la distribución de Burr por lotes para evitar fugas manuales.

Detección de la calidad de los componentes encapsulados: para el embalaje de película de aluminio y plástico de la batería de paquete blando y el embalaje de devanado de la batería cilíndrica, el espejo de luz puede detectar burbujas y capas en el borde del embalaje (como la película de aluminio y plástico).PPProblemas como el desprendimiento de la capa y la capa de papel de aluminio) y los pliegues polares. A través de la iluminación de luz polarizada, se puede distinguir claramente la interfaz de diferentes materiales (como la diferencia de índice de refracción entre la lámina de aluminio y la película polimérica) y ayudar a optimizar los parámetros del proceso de encapsulamiento (como la temperatura de sellado térmico)./.Presión).

Cuerpos extraños y posicionamiento de la contaminación: en el proceso de recubrimiento de placas polares o montaje de baterías, el espejo de luz puede localizar rápidamente partículas metálicas (como restos de hierro), polvo y otros cuerpos extraños, y combinar imágenes de color para registrar la ubicación de los defectos, para microscopía electrónica posterior oXRMEl análisis de punto fijo proporciona navegación.

Análisis de la anomalía del agrietamiento de la placa polar

II. microscopía de rayos X (xrm): un "ojo de perspectiva" sin estructuras tridimensionales

Después de la localización de defectos macro, es necesario analizar más a fondo la microestructura interna de la batería (como la permeabilidad del electrodo, la distribución del canal del diafragma y el Estado de rotura de partículas), mientras que la preparación tradicional de muestras de corte destruirá el estado original y será difícil reflejar las condiciones reales de trabajo. ZeissXRM(por ejemploXradia Versa 520/630Serie) conSin daños, alta resolución (submicron a50 nm), imágenes continuas multiescalaComo característica, se ha convertido en el análisis de la estructura interna de la batería de litio.“Herramientas básicas",.

Xradia 630 Versaserie

Valores básicos y aplicaciones típicas:

Pruebas no destructivas de baterías encapsuladas: imágenes en 3D de baterías terminadas (incluidos paquetes blandos, cilindros, cáscaras cuadradas) sin desmontar, identificando directamente defectos enterrados profundamente en el interior, como microcracks en la curva del electrodo positivo en la batería de devanado (que pueden causar bloqueo de la transmisión de iones de litio), impurezas metálicas en el diafragma (como restos de hierro de corte), estratificación entre la placa polar y El recolector (afectando la conducción electrónica). La profundidad de penetración a nivel milimétrico (1 - 10 mm convencional) de la xrm equilibra la "observación general" con la "captura de detalles" con una resolución A nivel de micras (hasta 0,5 micras).

Electrodos/.Análisis estructural cuantitativo del diafragma: a través de la reconstrucción tridimensional, se puede calcular el material positivo (por ejemploNCMLitio ternárioDistribución de la permeabilidad(a lo largo de la verticalidad/.Diferencia de dirección de la placa polar paralela), partículas de grafito negativoGrado de rotura(densidad de grietas en el borde de las partículas después del ciclo), y el diafragmaPermeabilidad y tortuosidad(afecta la eficiencia de transmisión de iones de litio). Por ejemplo, los estudios han demostrado que la permeabilidad del diafragma es inferior30%O cuando el giro es demasiado alto, la resistencia interna de la batería aumenta significativamente,XRMEstos parámetros se pueden cuantificar directamente para guiar la selección del diafragma o la optimización del proceso de recubrimiento.

Seguimiento dinámico del mecanismo de envejecimiento: no dañar las baterías antes y después del ciclo3DImagen de contraste, se puede observar la superficie del electrodo después del ciclo.Crecimiento de grietas(como la rotura gradual del borde negativo del grafito), la polinización de las partículas (lo que resulta en la caída de la sustancia activa) y la distribución espacial de la deposición de metal de litio (crecimiento de dendrita). Combinado con in situXRMTecnología (como ZeissXradia 520 VersaEl módulo de análisis de estrés también puede estudiar los cambios de volumen del material del electrodo durante la carga y descarga (como la tasa de expansión negativa del silicio).> 300%Colapso estructural causado).

III. microscopía electrónica (microscopía electrónica): la "lupa" del mecanismo nanométrico

Cuando se necesita analizar“¿¿ por qué hay defectos?",O“La esencia de la falla de la interfaz",Cuando es necesario entrar en una escala nanométrica o incluso Atómica- -Por ejemplo, la estructura del límite de grano de las partículas activas,SEILa composición de la película (máscara límite de electrolitos sólidos) y la morfología de deposición del litio metálico. Microscopía electrónica de Zeiss (como la microscopía electrónica de escaneo de emisiones de campo)SEM, microscopía electrónica de doble hazHacia cruzadaSerie, microscopía electrónica de transmisiónTEMEsquema de compatibilidad) conResolución ultra alta..≤0.5nm), análisis de componentes multifuncionales..EDS/EBSD), tecnología de protección de muestras sensiblesComo ventaja, se ha convertido en una "herramienta" para la investigación de micromecánicas.

ZeissSigmaMicroscopía electrónica de emisión de campo de la serie

Avances tecnológicos clave y aplicaciones:

Caracterización de alta resolución de partículas e interfaces: para materiales de cátodo (como el níquel alto)NCM811) o materiales negativos (como electrodos negativos compuestos de silicio y carbono), emisiones de campoSEMSe puede lograr una imagen morfológica a nivel nanométrico (por ejemploNCMIntegridad de la estructura esférica secundaria de las partículas, rastros de expansión de volumen de las partículas de silicio), combinadosEDSEl análisis del espectro de energía puede detectar la uniformidad de la distribución de los elementos (como la segregación proporcional de níquel, cobalto y manganeso puede conducir a una disminución de la estabilidad térmica local). Microscopía electrónica de doble hazHacia cruzadaLa serie es más accesibleFIB(haz de iones enfocado) corta con precisión áreas específicas, exponiendo defectos en los límites de grano o interfaz dentro de las partículas (como la capa de subproductos producida por la reacción del electrodo positivo con el electrolito).

Preparación no destructiva de muestras sensibles: para muestras negativas de metal de litio o que contengan componentes magnéticos (por ejemploLiFePO4Electrodo positivo), la microscopía electrónica de Zeiss utilizaImágenes de baja tensión..≤5kV(...)Reducir el daño del haz de electrones y combinar la Mesa de muestras congeladas (evitar la oxidación del metal de litio) o la tecnología de pulido del haz de iones para conservar la estructura original de la muestra. Por ejemplo, al estudiar el crecimiento de las dendritas de litio, el bajo voltajeSEMSe puede observar claramente la morfología tridimensional de las ramas (como la densidad y longitud de las ramas en forma de ramas), combinada conEDSAnálisis de productos de descomposición electrolítica en la superficie de la Dendrita (por ejemploLiF,de Li2CO3).

Correlación entre escalas de las causas profundas de los defectos: cuandoXRMUna vez localizada una grieta enterrada profunda o una zona defectuosa en el interior de la batería, el microscopio electrónico puede pasarFIBCortar expone la sección transversal de la zona, conSEMObservar la dirección de la grieta (por ejemplo, si se propaga a lo largo del límite del grano) o la morfología de la rotura de partículas (por ejemplo, el colapso del borde del negativo de grafito), y luego pasarEDSAnálisis de la segregación de elementos alrededor de la grieta (por ejemplo, iones metálicos de transición disueltos del electrodo positivo y depositados en la superficie negativa, aceleradosSEIEngrosamiento de la membrana). Este "macro"→Micro→La profundización paso a paso de los "nanómetros" resuelve las limitaciones de los métodos tradicionales de "ver árboles pero no bosques".

IV. fotoelectricidad: una "solución de enlace completo" de colaboración entre escalas

La ventaja de Zeiss es combinar espejos de luz,XRMLos tres módulos técnicos de la microscopía electrónica se fusionan profundamente para formar un "descubrimiento de defectos".→Análisis estructural→Proceso de circuito cerrado de "trazabilidad del mecanismo":

Ejemplos típicos de flujo de trabajo:

1. Posicionamiento macro: el Microscopio óptico de línea de producción detecta rápidamente las rebanadas polares (por ejemplo, la longitud de las rebanadas polares de un lote de baterías supera el estándar), marcando la batería problemática;

2. Análisis estructural no destructivo:XRMRealizar la batería3DImagen en la que se detecta la presencia de una punción del diafragma cerca del Burr (profundidad aproximada20 μm) y se observaron microcracks en la curva del electrodo positivo (longitud aproximada50 μm);

3. Exploración del mecanismo nanométrico: aprobadoFIBEnXRMCorte de láminas en áreas defectuosas localizadas, conSEMObservar los residuos electroliticos en el interior de la grieta (como los productos de descomposición de carbonatos), combinadosEDSEl análisis encontró que los iones de níquel (del electrodo positivo) se enriquecieron en el borde de la grieta, lo que confirmó que las burras causaron un cortocircuito local después de perforar el diafragma, lo que provocó la degradación de la sustancia activa.

Además, en el enlace de investigación y desarrollo, la fotoelectricidad también se puede utilizar paraVerificación de optimización de materiales- -Por ejemplo, evaluar el efecto inhibidor del nuevo adhesivo en la aglomeración de partículas de electrodos (espejo de luz para observar la uniformidad de las placas polares)→XRMCuantificación de la permeabilidad→Análisis de microscopía electrónica del Estado de Unión de la interfaz de partículas) o estudio de la compatibilidad de la interfaz entre electrolitos sólidos y electrodos..XRMObservar los poros de la interfaz→Difusión de elementos analizados por microscopía electrónica).

Solución Optoelectrónica de Zeiss

Conclusión: la modernización de la industria de baterías de litio impulsada conjuntamente por múltiples escalas

El avance de rendimiento de las baterías de litio ha entrado en la etapa de "control refinado a nivel nanométrico", y las limitaciones de una sola tecnología se han vuelto cada vez más prominentes. La fotoelectricidad de Zeiss utiliza soluciones multimódulas a través de Espejos ópticos“Amplio y rápido",,XRMde“Profundo y profundo",, microscopía electrónica“Fino y profundo",Y la conexión perfecta entre los tres no solo resuelve la caracterización tradicional“Falla de escala","Aislamiento de la información",Los puntos dolorosos son aún más impulsados por“Prueba y error de experiencia",A“Impulsado por datos",Transformación del modelo de I + D. En el futuro, a medida que los requisitos de Seguridad y densidad energética de la nueva industria energética sigan aumentando, el programa integral multiescala de Zeiss se convertirá en la base tecnológica central de la innovación de baterías de litio y ayudará a la transformación energética global a alcanzar nuevas alturas.