鋰離子電池：熱增長(cháng)、壓力及展望未來(lái)

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

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

鋰離子電池（LIB）于上世紀八九十年代研制，首次對智能手機、平板電腦、相機和電動(dòng)工具等移動(dòng)設備產(chǎn)生了重大影響。只有鋰離子電池表現良好才可能實(shí)現這一點(diǎn)。高能量密度、高電壓、高穩定性、低重量、長(cháng)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，遠遠領(lǐng)先于以前的可充電電池技術(shù)。自那時(shí)起，隨著(zhù)全球需求的持續快速增長(cháng)，鋰離子電池的應用范圍一直在擴大。

目前，消費電子產(chǎn)品僅占鋰離子電池需求的20%，預計這一數字還將持續下降。相反，未來(lái)將推動(dòng)全球運輸和能源系統向電力轉型，并為人類(lèi)創(chuàng )造一個(gè)更加低碳化的未來(lái)。根據世界經(jīng)濟論壇數據，到2030年，乘用車(chē)將占全球電池需求的60%。隨著(zhù)商業(yè)運輸和能源領(lǐng)域的發(fā)展，預計2022~2027年全球鋰離子電池市場(chǎng)將以20%左右的復合年增長(cháng)率增長(cháng)，到2027年市場(chǎng)規模將達到2000億美元。

電動(dòng)汽車(chē)正在改變汽車(chē)和運輸行業(yè)，預計將占鋰離子電池需求的大部分。弗若斯特沙利文公司（Frost & Sullivan）預計2025年電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量將達到1200萬(wàn)至1500萬(wàn)輛，全球鋰離子電池容量將是2018年的十倍。據弗若斯特沙利文公司稱(chēng)，亞洲電池制造商具有先發(fā)優(yōu)勢，其中一部分原因是中國對電動(dòng)汽車(chē)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(zhù)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。

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

Teledyne Princeton Instruments專(zhuān)門(mén)負責設計和制造高性能CCD、sCMOS、ICCD、EMCCD、emICCD和InGaAs相機，攝譜儀以及用于科研、工業(yè)成像和OEM社區的基于光學(xué)的解決方案。

Teledyne FLIR設計、開(kāi)發(fā)、制造、銷(xiāo)售和分銷(xiāo)通過(guò)熱成像、可見(jiàn)光成像、視頻分析、測量和診斷以及高級威脅檢測系統增強感知的技術(shù)。

Teledyne DALSA是設計、制造和部署機器視覺(jué)數字成像組件的領(lǐng)導者。Teledyne DALSA的圖像傳感器、相機、智能相機、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)數個(gè)檢測系統的核心。

全球普及的攔路虎

不過(guò)，風(fēng)險依然存在。鋰離子電池的制造非常復雜，特別是在電動(dòng)汽車(chē)應用中，安全性、耐用性和模塊化與性能、效率和價(jià)格的競爭壓力相互競爭。必須生產(chǎn)單體電池，然后組裝成包含數百個(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，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雜。若未能發(fā)現故障電池，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，甚至會(huì )帶來(lái)危險。

2018年，美國國家運輸安全委員會(huì )對特斯拉汽車(chē)發(fā)生的數次起火事故進(jìn)行了調查，以判斷高壓鋰離子電池是否會(huì )給撞車(chē)后的急救人員帶來(lái)安全風(fēng)險。

2021年，澳大利亞，也許是最致力于將鋰電池引入電網(wǎng)的國家，也面臨著(zhù)電池系統的挑戰。2021年，位于維多利亞州的大型電池系統在測試期間發(fā)生了火災。目前，正在對電網(wǎng)故障進(jìn)行調查，其中基于電池的備用系統未達到預期。原因尚不清楚。

2022年4月，在五家汽車(chē)制造商因可能導致起火或熄火的缺陷而發(fā)布召回令之后，美國安全監管機構對電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)電池展開(kāi)了新一輪的調查。美國國家公路交通安全管理局表示，新一輪調查涵蓋超過(guò)13.8萬(wàn)輛使用韓國LG Energy Solution公司生產(chǎn)電池的汽車(chē)，影響范圍涉及通用、奔馳、現代、斯特蘭提斯和大眾生產(chǎn)的汽車(chē)。

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

布魯塞爾二氧化碳中性工廠(chǎng)進(jìn)行奧迪e-tron制造：電池單元模塊控制器和電纜的最終驗收。版權所有奧迪AG

通過(guò)檢查提高電池的安全性

隨著(zhù)對鋰離子電池的應用要求愈加嚴苛，這就需要我們更好地了解材料和設備的性能、退化和危害。在電力系統中，電池故障會(huì )帶來(lái)多重危險。由于缺乏對標準化設備的長(cháng)期跟蹤記錄來(lái)了解風(fēng)險，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質(zhì)量控制測試。雖然可能在不同階段對每個(gè)單體電池和模塊電流進(jìn)行了測試，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)現問(wèn)題，以免浪費時(shí)間和資源。早期缺陷檢測能幫助制造商微調反饋回路，從而調整工藝機械以?xún)?yōu)化結果。

正如我們在早期《可能性》文章中看到的那樣，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)量和一致性對電池的功能和安全至關(guān)重要。隨著(zhù)時(shí)間流逝，異物、凸起和不均勻會(huì )壓穿或磨破隔離膜，從而導致短路并造成災難性的電池故障。通常，此類(lèi)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。根據經(jīng)驗，制造商們認為，缺陷識別的級別最好保持在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，但對于進(jìn)一步的詳細檢查，公司改用線(xiàn)掃描相機和高靈敏度TDI（時(shí)間延遲積分）相機，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，它還可以同時(shí)捕獲三個(gè)不同光譜和角度的光，為缺陷檢測和分析提供更多圖像數據，而不會(huì )增加成本或減慢系統速度。

在組裝的不同階段使用其他類(lèi)型的成像。高速3D激光輪廓儀用于測量更多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 )斷裂或導致間歇性接觸損失。區域掃描相機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 )出現問(wèn)題，特別是在具有更高密封和保護水平的運輸應用中。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(zhuān)注于安全、可靠和輕型電池的快速開(kāi)發(fā)、測試、驗證和商業(yè)化，用于商業(yè)和防護用途。這些流程包括大量濫用（或破壞性）測試，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。為了從這些測試中收集盡可能多的數據，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)法捕獲的熱細節。

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

研究人員還對原位分析使用的不同類(lèi)型X射線(xiàn)衍射進(jìn)行了研究，其中包括X射線(xiàn)，甚至超聲成像。借此可對電池的物理結構和材料進(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。CT分析雖然不能揭示電池內部的電化學(xué)性質(zhì)，但可以揭示電池內部的機械工作原理。熱失控起火可能有機械原因，但電化學(xué)過(guò)程會(huì )留下機械證據。與任何應用一樣，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(xiàn)系統完成，但可視化信息有限。通過(guò)3D X射線(xiàn)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)計算機斷層掃描（CT）越來(lái)越多地應用于檢測電池整個(gè)生命周期內的缺陷和內部變化。盡管如此，要分辨出感興趣的結構還是很困難的。由于材料的密度非常接近，而且通常都很薄，結果往往是低對比度的灰度圖像。CT數據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(xiàn)照相已被證明是無(wú)損檢測的另一個(gè)好選擇，為研究人員提供了系統內部工作的實(shí)時(shí)數據。與X射線(xiàn)相比，中子相互作用為X射線(xiàn)成像提供了一些有用的優(yōu)勢，因為它們與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)生不良反應的幾率較低。其次，對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(guān)察電池的關(guān)鍵過(guò)程，如鋰擴散、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對當前及下一代電池化學(xué)的挑戰。

為了更深入地分析電池內部的非結構條件，一些研究人員已經(jīng)轉向了電子顯微鏡，它可以揭示電池內部的電化學(xué)反應。與中子成像一樣，分辨率仍然是一項挑戰，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各種可充電離子電池內部納米級電化學(xué)事件的基本認識。

電池制造業(yè)不可預知的未來(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，因為這種金屬可以延長(cháng)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%，但它們仍然占電動(dòng)汽車(chē)總成本的30%左右。隨著(zhù)全球電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的快速增長(cháng)，預計鈷等電池原材料的需求將超過(guò)供應量。避免使用鈷（甚至鋰，兩者都引發(fā)了嚴重的環(huán)境和人權問(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重依賴(lài)鎳，這也帶來(lái)了其他挑戰。2020年初，控制著(zhù)全球四分之一鎳供應的印尼提前兩年停止了鎳出口。但疫情和全球金融形勢變化導致鎳價(jià)下跌，損害了對公司的投資，否則可能已經(jīng)投資提高鎳產(chǎn)量，結果是鎳產(chǎn)量?jì)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劃。于2022年4月27日訪(fǎng)問(wèn)。數據來(lái)自Markets Insider。

將引入新技術(shù)來(lái)克服當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、儲存和潛在的回收提出了嚴峻的挑戰?；阪V等更多豐富材料的新興儲能技術(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、更高的穩定性和更低的成本。另一個(gè)有前景的方向是轉向固態(tài)設計，這種設計更加穩定，但在性能上還沒(méi)有競爭力。

現在以及在可預見(jiàn)的未來(lái)，鋰離子電池及其類(lèi)似物面臨的障礙仍將是在不斷優(yōu)化和全球供應鏈波動(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計以及他們用來(lái)檢驗和完善設計的工具。