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【扫描电镜应用】说到安全,电动自行车多跟电动汽车学学吧!

发布时间: 2024-05-21  点击次数: 147次

扫描电镜是用于样品微区形貌、结构及成分的观察和分析的仪器。电子枪发射的电子束在扫描电镜镜筒中,通过电磁透镜聚焦和电场加速,入射到样品表面,束电子与样品原子核或核外电子发生多种相互作用,从而产生各种反映样品特征的信号。这些信号包括:二次电子、背散射电子、X 射线等。其中,二次电子和背散射电子被相应的探头接收,即可获得形貌信息;X 射线被能谱探头接收并分析,即可获得成分信息。

这可以有效的应用在锂电池行业的清洁度分析中。

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01触目惊心的电动自行车事故,是偶然吗?

2024 年 2 月 23 日,南京雨花台区明尚西苑居民楼火灾已致 15 人死亡,44 人受伤,初步分析为小区 6 栋建筑地面架空层停放电动自行车处起火引发。

电动自行车引起的火灾并非偶然。根据国家消防救援局的统计,2022 年,全国电动自行车保有量为 3 亿多辆且不断增多,火灾风险持续上升,全年共接报电动自行车(电动助力车)火灾 1.8 万起,比 2021 上升 23.4%,国家消防救援局提示,相关风险应予持续关注。但到了 2023 年,全国接报的电动自行车火灾数量继续攀升,高达 2.1 万起,相比 2022 年上升 17.4%。同时,数据显示,有 80% 的电动自行车火灾是在充电时发生的,其中超过一半发生在夜间充电过程中。

02电动自行车和电动汽车,谁更安全?

电动车较核心也是较危险的部件是电池,针对电池的安全要求,在 2015 年就推出了针对电动汽车的国家标准《电动汽车用动力蓄电池安全要求》,该标准在 2020 年又重新修订。参与标准制定和修改的企业包括了宁德时代、国轩高科、天津力神等锂电池大厂,也包括比亚迪、北汽、上汽、广汽、吉利、长安、奇瑞、蔚来等大型车厂,以及中国汽车技术研究中心、中国电子科技集团、工信部装备发展中心等。可见整个产业和国家对电动汽车电池安全的重视程度

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针对电动自行车的电池安全,直到 2022 年,才由工信部组织起草强制性国家标准《电动自行车用锂离子蓄电池安全技术规范》,目前正处于审查阶段,按计划该国家标准将于 2024 年发布。

显然电动自行车行业对电池安全的重视程度和研发投入水平,是远比不上电动汽车的。据市场监管总局消息,2022 年,市场监管总局组织开展了电动自行车和电动自行车电池产品质量国家监督抽查,共对 262 家企业生产的 295 批次产品进行了检验,发现 62 批次产品不合格,抽查不合格率为 21.0%。

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图片来源:市场监管总局

03.为什么电动汽车更安全?

锂电池生产是一个复杂的过程,从原材料、电信、模组、Pack 到最终的电池系统。锂电池的生产过程主要可以分为以下几个步骤:

01.正极材料的制备

通常使用的正极材料包括锂铁磷 (LiFePO)、锂镍钴锰氧化物 (NCM)、锂钴氧化物 (LiCoO) 等。这一步涉及到的工艺包括混合原料、煅烧等,目的是制备出高性能的正极材料。

02.负极材料的制备

常见的负极材料有石墨、硅基材料等。制备过程可能包括球磨、热处理等步骤,以得到具有优良电化学性能的负极材料。

03.电解质的配制

电解质是锂离子在正极和负极之间移动的媒介,通常是由锂盐溶解在有机溶剂中形成的。这一步骤需要精确控制电解质的配比和纯度。

04.隔膜的准备

隔膜是电池内部用来隔开正负极材料、同时允许锂离子通过的薄膜。隔膜的材料、孔隙率和厚度都会影响到电池的性能。

05.电极片的制作

将制备好的正极材料、负极材料分别涂布在金属集流体上(正极通常使用铝箔,负极使用铜箔),然后进行干燥和压实,制成电极片。

06.电池组装

在干净的环境中,将正极片、负极片和隔膜按照一定顺序叠加,并注入电解质,最后封装成电池。这一步骤可能包括堆叠、卷绕或折叠等不同的技术路线,具体取决于电池的设计。

07.封装

电池组装好后,需要在无尘环境下将电池芯体放入外壳中,并进行封口,确保电池的密封性和安全性。

08.化成和老化

新制造的电池需要通过充放电循环的方式来激活,这一过程称为化成。化成后的电池还需要经过一段时间的老化测试,以确保其性能稳定。

09.测试和分选

完成上述所有步骤后,每个电池都需要经过一系列的性能测试,包括容量、内阻、循环寿命等。根据测试结果,电池将被分选和分类,以满足不同应用的需求。

这个过程中,每一个步骤都对电池的最终性能有重要影响,因此需要精确控制和高标准的质量管理。

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同时,影响电池安全的因素也有很多,包括:热稳定性、金属异物、负极析锂、隔膜瑕疵、设计 / 制造缺陷、极片变形 / 微短路等。

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以金属异物为例

锂电池在生产过程中,金属异物的混入是一个严重的质量安全隐患,因为金属异物可以导致电池短路,甚至引发热失控和火灾。为了确保电池安全,针对金属异物的检测是非常重要的。目前,各大动力电池厂家都进行了深入的研究。具体检测方法包括:

a) 全自动光镜统计法

金属表面的物理特性决定了光线不能进入金属物质,它会像镜子般把所有入射光全部反射出去。入射光在经由金属表面反射后,其反射光与入射光具有相同的振动方向。如果反射光通过两片平行的偏振片,金属颗粒呈现亮色;如果反射光通过两片垂直的偏振片,金属颗粒呈现纯黑色。

入射光在经过非金属物质后,其振动方向会发生改变(主要原因是光可以射入非金属物质内部),经过非金属物质内部后再出来的反射光不再具有偏振性,其方向也会发生改变。反射光通过平行和垂直的偏振片时,其亮度变化不大。

通过记录、对比颗粒在不同偏振光下的图片,而后鉴别出金属和非金属颗粒。

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并非所有金属颗粒都具有相同的危害性,例如,在对大量失效电池进行拆解分析后发现,相对于不锈钢,铜的危害性更高。主要是因为铜离子更容易在负极析出,析出后的生长方式呈现枝晶状,很容易刺穿隔膜。并且,铜的电导率比铁高了一个数量级,一旦铜枝晶刺穿隔膜,极易导致电池内部短路,进一步导致电池过热甚至起火。为了有效评估金属颗粒的危害性,需要知道颗粒的详细成分,而光学显微镜只能区分金属和非金属,但具体是哪类金属则无从得知。这就需要借助电子显微镜

b) 全自动电镜统计法

飞纳 ParticleX Battery 基于扫描电镜+能谱法专业用于锂电清洁度分析,采用 CeB6单晶体灯丝,测试寿命超过 2000 小时,可连续隔夜分析,无需频繁更换灯丝。大样品仓室,可视面积为 100×100 mm,可放置 4 片直径 47mm 的圆形滤膜,样品测试自动切换,生产工程师可以轻松实现实时监控生产车间的质量控制。

特殊颗粒详细信息展示:

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异物颗粒分类统计:

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ParticleX Battery

如果您对全自动锂电清洁度分析感兴趣,欢迎详聊。

光镜法和电镜法作为一种可视化的方法,只能观察材料表面,对于材料内部的特征,则需要借助显微CT。

c) 显微 CT 法

显微计算机断层扫描(Micro-CT)是一种非破坏性检测技术,能够提供物体内部的三维图像。在锂电池领域,显微 CT 可以用来检测和分析电池内部结构,包括检测内部的金属异物。这种方法对于理解电池的内部机理、评估电池的质量以及提高电池的安全性具有重要价值。

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04.要怎么做

01.国家

多年来,我国缺少电动自行车锂电池强制性国家标准,锂电池质量参差不齐,导致安全事故频发。为从源头防范事故发生,提高和完善电池安全标准刻不容缓。

2022 年由工业和信息化部组织起草的强制性国家标准《电动自行车用锂离子蓄电池安全技术规范》已经完成了起草和征求意见阶段,目前正处于审查阶段。希望这项强制性国家标准尽快发布实施,并严格执行。

02.企业

希望给电动自行车提供锂电池的厂家能够参考电动汽车锂电池生产安全规范,借鉴同行业更先进的检测方法和检测标准。提升产品的安全性,降低产品不良品率。

03.个人

提升安全意识,做到以下几点:

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