鋰離子電池：熱增長(zhǎng)、壓力及展望未來(lái)

一項(xiàng)只出現(xiàn)短短幾十年的技術(shù)正在推動(dòng)下個(gè)世紀(jì)的交通發(fā)展未來(lái)。檢驗(yàn)幫助我們緊跟步伐。

如今，以鋰離子化學(xué)為引導(dǎo)，可充電電池在很多方面都得到了證明，但同時(shí)也充滿了挑戰(zhàn)。

鋰離子電池（LIB）于上世紀(jì)八九十年代研制，首次對(duì)智能手機(jī)、平板電腦、相機(jī)和電動(dòng)工具等移動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生了重大影響。只有鋰離子電池表現(xiàn)良好才可能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。高能量密度、高電壓、高穩(wěn)定性、低重量、長(zhǎng)生命周期和化學(xué)成分多樣性使得鋰離子電池具有突破性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于以前的可充電電池技術(shù)。自那時(shí)起，隨著全球需求的持續(xù)快速增長(zhǎng)，鋰離子電池的應(yīng)用范圍一直在擴(kuò)大。

目前，消費(fèi)電子產(chǎn)品僅占鋰離子電池需求的20%，預(yù)計(jì)這一數(shù)字還將持續(xù)下降。相反，未來(lái)將推動(dòng)全球運(yùn)輸和能源系統(tǒng)向電力轉(zhuǎn)型，并為人類創(chuàng)造一個(gè)更加低碳化的未來(lái)。根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇數(shù)據(jù)，到2030年，乘用車將占全球電池需求的60%。隨著商業(yè)運(yùn)輸和能源領(lǐng)域的發(fā)展，預(yù)計(jì)2022~2027年全球鋰離子電池市場(chǎng)將以20%左右的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2027年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2000億美元。

電動(dòng)汽車正在改變汽車和運(yùn)輸行業(yè)，預(yù)計(jì)將占鋰離子電池需求的大部分。弗若斯特沙利文公司（Frost & Sullivan）預(yù)計(jì)2025年電動(dòng)汽車銷量將達(dá)到1200萬(wàn)至1500萬(wàn)輛，全球鋰離子電池容量將是2018年的十倍。據(jù)弗若斯特沙利文公司稱，亞洲電池制造商具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，其中一部分原因是中國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車的需求較高，已經(jīng)占到全球鋰離子電池產(chǎn)量的70%左右。

可充電電池技術(shù)也不是一成不變的。隨著多家公司尋求在性能、效率和質(zhì)量方面做出改進(jìn)，解決方案也在不斷變化。

如果有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)全球零碳排放，可充電電池將是解決方案的關(guān)鍵部分。

Teledyne Princeton Instruments專門負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造高性能CCD、sCMOS、ICCD、EMCCD、emICCD和InGaAs相機(jī)，攝譜儀以及用于科研、工業(yè)成像和OEM社區(qū)的基于光學(xué)的解決方案。

Teledyne FLIR設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造、銷售和分銷通過(guò)熱成像、可見(jiàn)光成像、視頻分析、測(cè)量和診斷以及高級(jí)威脅檢測(cè)系統(tǒng)增強(qiáng)感知的技術(shù)。

Teledyne DALSA是設(shè)計(jì)、制造和部署機(jī)器視覺(jué)數(shù)字成像組件的領(lǐng)導(dǎo)者。Teledyne DALSA的圖像傳感器、相機(jī)、智能相機(jī)、TDI、圖像采集卡、軟件和視覺(jué)解決方案是全球多個(gè)行業(yè)的無(wú)數(shù)個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心。

全球普及的攔路虎

不過(guò)，風(fēng)險(xiǎn)依然存在。鋰離子電池的制造非常復(fù)雜，特別是在電動(dòng)汽車應(yīng)用中，安全性、耐用性和模塊化與性能、效率和價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)壓力相互競(jìng)爭(zhēng)。必須生產(chǎn)單體電池，然后組裝成包含數(shù)百個(gè)單體電池的電池模塊。就像在任何制造過(guò)程中一樣，完美是目標(biāo)，而不是終點(diǎn)?？偸谴嬖谝恍┎坏貌煌讌f(xié)的限制。一旦單體電池發(fā)生故障，可能需要拆開(kāi)整個(gè)模塊并拆除故障電池，這使得情況變得更加復(fù)雜。若未能發(fā)現(xiàn)故障電池，則情況更糟：故障電池可能大大降低整個(gè)模塊的輸出功率和性能，甚至?xí)?lái)危險(xiǎn)。

2018年，美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)對(duì)特斯拉汽車發(fā)生的數(shù)次起火事故進(jìn)行了調(diào)查，以判斷高壓鋰離子電池是否會(huì)給撞車后的急救人員帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

2021年，澳大利亞，也許是最致力于將鋰電池引入電網(wǎng)的國(guó)家，也面臨著電池系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。2021年，位于維多利亞州的大型電池系統(tǒng)在測(cè)試期間發(fā)生了火災(zāi)。目前，正在對(duì)電網(wǎng)故障進(jìn)行調(diào)查，其中基于電池的備用系統(tǒng)未達(dá)到預(yù)期。原因尚不清楚。

2022年4月，在五家汽車制造商因可能導(dǎo)致起火或熄火的缺陷而發(fā)布召回令之后，美國(guó)安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)電動(dòng)車和混合動(dòng)力汽車電池展開(kāi)了新一輪的調(diào)查。美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局表示，新一輪調(diào)查涵蓋超過(guò)13.8萬(wàn)輛使用韓國(guó)LG Energy Solution公司生產(chǎn)電池的汽車，影響范圍涉及通用、奔馳、現(xiàn)代、斯特蘭提斯和大眾生產(chǎn)的汽車。

雖然這些案例令人擔(dān)憂，但并不令人驚訝。目前的化石燃料和內(nèi)燃機(jī)制造安全和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)得益于100多年的改進(jìn)。雖然電動(dòng)汽車也有很長(zhǎng)的歷史，但直到20世紀(jì)90年代，鎳氫（鎳金屬氫化物）電池被用于電動(dòng)汽車，且鋰離子電池發(fā)展成為一種可行的替代品，電動(dòng)汽車才開(kāi)始加速量產(chǎn)。

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通過(guò)檢查提高電池的安全性

隨著對(duì)鋰離子電池的應(yīng)用要求愈加嚴(yán)苛，這就需要我們更好地了解材料和設(shè)備的性能、退化和危害。在電力系統(tǒng)中，電池故障會(huì)帶來(lái)多重危險(xiǎn)。由于缺乏對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備的長(zhǎng)期跟蹤記錄來(lái)了解風(fēng)險(xiǎn)，我們有充分理由在所有單個(gè)電池被組裝到模塊前后加設(shè)質(zhì)量控制測(cè)試。雖然可能在不同階段對(duì)每個(gè)單體電池和模塊電流進(jìn)行了測(cè)試，但這只能提供片面理解。

最好能在生產(chǎn)過(guò)程中早期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，以免浪費(fèi)時(shí)間和資源。早期缺陷檢測(cè)能幫助制造商微調(diào)反饋回路，從而調(diào)整工藝機(jī)械以優(yōu)化結(jié)果。

正如我們?cè)谠缙凇犊赡苄浴肺恼轮锌吹降哪菢?，在用于制造電極（陰極和陽(yáng)極）的箔片制造期間進(jìn)行首次目視檢查。箔片及其涂層的質(zhì)量和一致性對(duì)電池的功能和安全至關(guān)重要。隨著時(shí)間流逝，異物、凸起和不均勻會(huì)壓穿或磨破隔離膜，從而導(dǎo)致短路并造成災(zāi)難性的電池故障。通常，此類檢查是在切片或沖壓之后進(jìn)行的，切片或沖壓過(guò)程可能導(dǎo)致顆粒物在電極輥壓、折疊或堆疊之前沉積在表面上。

通常，在深灰色的背景上有幾個(gè)深灰色的缺陷就能決定電池的性能和壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，制造商們認(rèn)為，缺陷識(shí)別的級(jí)別最好保持在50微米以下乃至10微米。接觸成像通常用于“粗略”的初步審查，但對(duì)于進(jìn)一步的詳細(xì)檢查，公司改用線掃描相機(jī)和高靈敏度TDI（時(shí)間延遲積分）相機(jī)，以提供必要的分辨率和靈敏度。

更多創(chuàng)新解決方案包括多場(chǎng)TDI相機(jī)，它還可以同時(shí)捕獲三個(gè)不同光譜和角度的光，為缺陷檢測(cè)和分析提供更多圖像數(shù)據(jù)，而不會(huì)增加成本或減慢系統(tǒng)速度。

在組裝的不同階段使用其他類型的成像。高速3D激光輪廓儀用于測(cè)量更多3D物體的形狀，例如：接觸片焊接均勻性、極耳變形和方向。焊接不良的接觸片可能會(huì)斷裂或?qū)е麻g歇性接觸損失。區(qū)域掃描相機(jī)主要用于將單體電池封裝成更大的電池，這就必須精確控制外殼中數(shù)百個(gè)電池的方向。

一旦組裝好，電池模塊的“黑盒子”性質(zhì)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，特別是在具有更高密封和保護(hù)水平的運(yùn)輸應(yīng)用中。如果看不到里面，如何檢查？這需要超出視覺(jué)范圍的成像。

例如，電池創(chuàng)新中心（BIC）專注于安全、可靠和輕型電池的快速開(kāi)發(fā)、測(cè)試、驗(yàn)證和商業(yè)化，用于商業(yè)和防護(hù)用途。這些流程包括大量濫用（或破壞性）測(cè)試，將電池置于一些最不利情況下，以了解由此產(chǎn)生的安全問(wèn)題。為了從這些測(cè)試中收集盡可能多的數(shù)據(jù)，電池創(chuàng)新中心使用Teledyne FLIR高速熱像儀來(lái)揭示其他技術(shù)無(wú)法捕獲的熱細(xì)節(jié)。

利用熱成像技術(shù)，工程師可以很容易地看到電池?fù)p壞時(shí)外部發(fā)生了什么，內(nèi)部發(fā)生了什么，以及熱量是如何傳播的。

研究人員還對(duì)原位分析使用的不同類型X射線衍射進(jìn)行了研究，其中包括X射線，甚至超聲成像。借此可對(duì)電池的物理結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行分析，從而幫助了解電池工作和退化相關(guān)的物理化學(xué)反應(yīng)。CT分析雖然不能揭示電池內(nèi)部的電化學(xué)性質(zhì)，但可以揭示電池內(nèi)部的機(jī)械工作原理。熱失控起火可能有機(jī)械原因，但電化學(xué)過(guò)程會(huì)留下機(jī)械證據(jù)。與任何應(yīng)用一樣，圖像質(zhì)量和時(shí)間之間存在平衡。

其中一些可以通過(guò)快速2D X射線系統(tǒng)完成，但可視化信息有限。通過(guò)3D X射線成像，有可能獲得電池單元和模塊關(guān)鍵方面的完整圖像，而延時(shí)（4D）斷層掃描則有助于揭示電池在使用過(guò)程中的老化過(guò)程和變化。

工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）越來(lái)越多地應(yīng)用于檢測(cè)電池整個(gè)生命周期內(nèi)的缺陷和內(nèi)部變化。盡管如此，要分辨出感興趣的結(jié)構(gòu)還是很困難的。由于材料的密度非常接近，而且通常都很薄，結(jié)果往往是低對(duì)比度的灰度圖像。CT數(shù)據(jù)分析和可視化軟件正在增加功能，在人工智能的幫助下，可以獲得更全面的信息。

動(dòng)態(tài)中子射線照相已被證明是無(wú)損檢測(cè)的另一個(gè)好選擇，為研究人員提供了系統(tǒng)內(nèi)部工作的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。與X射線相比，中子相互作用為X射線成像提供了一些有用的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兣c元素的相互作用不同。首先，鋰和電池中的液體電解質(zhì)極為敏感，中子方法發(fā)生不良反應(yīng)的幾率較低。其次，對(duì)于氫和鋰等輕量元素，中子的高可見(jiàn)性使人們能夠直接觀察電池的關(guān)鍵過(guò)程，如鋰擴(kuò)散、電解質(zhì)消耗和氣體形成。研究人員仍在不斷地努力，希望中子成像能達(dá)到目前CT掃描的時(shí)空分辨率，而這種衍射成像技術(shù)可以幫助我們更好地應(yīng)對(duì)當(dāng)前及下一代電池化學(xué)的挑戰(zhàn)。

為了更深入地分析電池內(nèi)部的非結(jié)構(gòu)條件，一些研究人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向了電子顯微鏡，它可以揭示電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)。與中子成像一樣，分辨率仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但該領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。這種成像技術(shù)很有可能提高我們對(duì)各種可充電離子電池內(nèi)部納米級(jí)電化學(xué)事件的基本認(rèn)識(shí)。

電池制造業(yè)不可預(yù)知的未來(lái)

目前，從研發(fā)角度來(lái)看，鋰離子電池技術(shù)似乎已經(jīng)成熟，更多的是優(yōu)化產(chǎn)品和生產(chǎn)。優(yōu)化正在推動(dòng)新化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使電池更具成本效益、更加環(huán)保。

例如，鈷是鋰離子電池中的主要金屬之一，因?yàn)檫@種金屬可以延長(zhǎng)電池的壽命并提高能量密度。但是，鈷也是電池中最昂貴的材料之一。雖然電池價(jià)格在2010年至2021年間下降了89%，但它們?nèi)匀徽茧妱?dòng)汽車總成本的30%左右。隨著全球電動(dòng)汽車銷量的快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)鈷等電池原材料的需求將超過(guò)供應(yīng)量。避免使用鈷（甚至鋰，兩者都引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境和人權(quán)問(wèn)題）的解決方案正變得越來(lái)越有吸引力。

其中一些解決方案更嚴(yán)重依賴鎳，這也帶來(lái)了其他挑戰(zhàn)。2020年初，控制著全球四分之一鎳供應(yīng)的印尼提前兩年停止了鎳出口。但疫情和全球金融形勢(shì)變化導(dǎo)致鎳價(jià)下跌，損害了對(duì)公司的投資，否則可能已經(jīng)投資提高鎳產(chǎn)量，結(jié)果是鎳產(chǎn)量?jī)H在2022年初飆升。

商品還是加密貨幣？倫敦金屬交易所交易的鎳價(jià)格不斷變化，使得制造商很難制定計(jì)劃。于2022年4月27日訪問(wèn)。數(shù)據(jù)來(lái)自Markets Insider。

將引入新技術(shù)來(lái)克服當(dāng)前鋰離子電池的其中一個(gè)基本缺點(diǎn)：液體、含氟和高度可燃的電解質(zhì)。這種成分給電池的處理、儲(chǔ)存和潛在的回收提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；阪V等更多豐富材料的新興儲(chǔ)能技術(shù)前景廣闊。與目前的鋰離子電池相比，由鎂金屬制成的電池可能具有更高的能量密度、更高的穩(wěn)定性和更低的成本。另一個(gè)有前景的方向是轉(zhuǎn)向固態(tài)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定，但在性能上還沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。

現(xiàn)在以及在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，鋰離子電池及其類似物面臨的障礙仍將是在不斷優(yōu)化和全球供應(yīng)鏈波動(dòng)的情況下制造可靠的高質(zhì)量電池。這可能會(huì)影響制造商所追求的設(shè)計(jì)以及他們用來(lái)檢驗(yàn)和完善設(shè)計(jì)的工具。