Nejnovější pozorování a analýzy lithium-iontových baterií a baterií nové generace
S rostoucí poptávkou po aplikacích v elektrických a elektronických zařízeních, například po menších a tenčích elektronických součástkách, bateriích do automobilů, které vyžadují velkou kapacitu a bezpečnost, a systémech skladování energie pro obytné prostory, se lithium-iontové baterie staly důležitým průmyslovým odvětvím. Kapacita a rychlost nabíjení lithium-iontových baterií se neustále zlepšují. Tyto baterie však také přinášejí rizika, která nelze přehlížet, například nebezpečí vznícení a generování tepla a dýmu. K omezení těchto rizik je důležité při výzkumu, vývoji, zajištění kvality a kontrole kvality dbát na bezpečnost.
Pozorování, analýzy, hodnocení a tvorbu zpráv je třeba v tomto odvětví provádět co nejrychleji, protože životní cyklus produktů je vzhledem k silné konkurenci rychlý. Tato část popisuje základní poznatky o lithium-iontových bateriích a velmi diskutovaných bateriích nové generace a dále příklady nejnovějších pozorování a analýz, které vedou k výraznému zlepšení účinnosti.
- Základní konstrukce, typy a materiály lithium-iontových baterií
- Problémy pozorování a analýzy sekundárních baterií, například očekávaných baterií nové generace a lithium-iontových baterií
- Nejnovější příklady použití našeho digitálního 4K mikroskopu, který zvyšuje efektivitu pozorování, analýzy a hodnocení lithium-iontových baterií
- 4K mikroskop, který optimalizuje výzkum, vývoj, zajištění kvality a kontrolu kvality sekundárních baterií
Základní konstrukce, typy a materiály lithium-iontových baterií
Lithium-iontové baterie, což jsou sekundární baterie označované zkráceně Li-Ion, se běžně používají v nejrůznějších produktech, například stále menších a tenčích elektronických zařízeních včetně smartphonů, tabletů, nositelných zařízení a notebooků, dále jako baterie pro elektromobily (EV) a hybridní elektromobily (HEV) a jako součást systémů skladování energie z domácích fotovoltaických a palivových článků. Vzhledem k rozšiřujícím se způsobům použití se dnes lithium-iontové baterie vyrábějí s nejrůznějšími konstrukcemi a tvary. Níže si můžete přečíst o základních konstrukcích, typických tvarech a některých dalších aspektech lithium-iontových baterií.
Základní konstrukce lithium-iontových baterií
Zde jsou pomocí obrázku ukazujícího typický příklad základní konstrukce lithium-iontové baterie popsány jednotlivé části těchto baterií a jejich funkce.
- A) Záporná elektroda (katoda): Vysoce vodivé materiály na bázi uhlíku (grafit, titaničitan lithný atd.) jsou naneseny na měděnou fólii.
- B) Kladná elektroda (anoda): Složené oxidy lithia (lithium, mangan, kobalt, fosforečnan niklu a železa atd.) jsou naneseny na hliníkovou fólii.
- C) Separátor: Jde o mikroporózní membránu vyrobenou z chemické sloučeniny zvané polyolefin (mezi její příklady patří polyethylen [PE] a polypropylen [PP]). Membrána má na povrchu malé otvory (1 mikrometr nebo méně). Separátor nevodivě odděluje kladnou a zápornou elektrodu a brání požáru, který by mohl vzniknout z jejich kontaktu.
- D) Elektrolyt: Lithiová sůl rozpuštěná v organickém rozpouštědle.
- E) Nabíjení
- F) Vybíjení
- G) Sběrač proudu: Funguje jako elektrický vodič sbírající vygenerovanou elektřinu a také jako podpůrný materiál. Kladnou elektrodu tvoří hliníková fólie, zápornou elektrodu tvoří měděná fólie.
- H) Pojivo: Slouží k připevnění směsi materiálu k fólii sběrače proudu.
- I) Aktivní materiál: Výrazně ovlivňuje kapacitu, napětí a charakteristiky. Použít lze nejrůznější materiály (například LiCoO2, LiMn2O4 nebo LiFePO4), směšovací poměry a metody míchání.
Tvary a formy lithium-iontových baterií
Články lithium-iontových baterií, jejichž vnitřní konstrukce je popsána výše, jsou umístěny v pouzdrech nejrůznějších tvarů a forem vyrobených z nejrůznějších materiálů. Níže jsou na obrázcích vysvětleny tři reprezentativní typy (formy) lithium-iontových baterií.
- Válcová
-
- A: Svorka kladné elektrody
- B: Svorka záporné elektrody
- a: Kladná elektroda
- b: Záporná elektroda
- c: Separátor
Má se za to, že válcové lithium-iontové baterie mají nejvyšší hustotu kapacity při nejnižších nákladech. Při spojení několika článků v pouzdře však mezi články zůstávají mezery, které hustotu snižují.
- Hranolová
-
- a: Kladná elektroda
- b: Záporná elektroda
- c: Separátor
U hranolových lithium-iontových baterií se často používají hliníková pouzdra. Polarita hranolové baterie se mění podle materiálu pouzdra, což je železo nebo hliník. Železné pouzdro má nahoře kladnou svorku, hliníkové pouzdro má nahoře zápornou svorku.
- Vrstvená (lithium-polymerová baterie)
-
- A: Svorka kladné elektrody
- B: Svorka záporné elektrody
- a: Kladná elektroda
- b: Záporná elektroda
- c: Separátor
Baterie vrstveného typu se také nazývá lithium-polymerová baterie. Protože použitím článku laminovaného fóliemi lze zmenšit tloušťku baterie, používá se tento typ u zařízení, která mají být tenčí, například u smartphonů a tabletů.
Typickými elektrolyty používanými u tohoto typu jsou gely obsahující polymery, například polyethylenoxid (PEO), polypropylenoxid (PPO) nebo polyvinylidenfluorid (PVDF).
Typy a charakteristiky materiálů použitých na kladné a záporné elektrody lithium-iontových baterií
Charakteristiky, použití a dokonce i náklady se u lithium-iontových baterií mění podle materiálů použitých na kladné a záporné elektrody. Níže si přečtěte o některých běžných typech a jejich charakteristikách.
- Na bázi kobaltu
Kladná elektroda: kobaltitan lithný LiCoO2 / Záporná elektroda: grafit LiC6 - Nejpoužívanější lithium-iontové baterie, které se široce používají v mobilních zařízeních. Kobalt je ale drahý a existuje zde riziko tepelného lavinového jevu, takže použití těchto baterií ve vozidlech je z bezpečnostního hlediska sporné.
- Na bázi niklu
Kladná elektroda: LiNiO2 / Záporná elektroda: grafit LiC6 - Lithium-iontové baterie na bázi niklu mají největší kapacitu. Dříve o tomto typu existovaly bezpečnostní pochybnosti. Báze NCA, získaná částečnou náhradou niklu kobaltem a přidáním hliníku, však bezpečnost tohoto typu zlepšila a umožnila tak jeho použití v plug-in hybridních elektromobilech.
- Na bázi manganu
Kladná elektroda: LiMn2O4 / Záporná elektroda: grafit LiC6 - Lithium-iontové baterie na bázi manganu (LMO) se nejčastěji používají ve vozidlech, protože mangan je levný, stojí přibližně desetkrát méně než kobalt, a jeho pevná krystalická struktura je velice bezpečná, protože má vysokou teplotní stabilitu.
- Na bázi fosforečnanu železa
Kladná elektroda: LiFePO4 / Záporná elektroda: grafit LiC6 - Lithium-iontové baterie využívající fosforečnan železa mají velmi bezpečnou krystalickou strukturu, kterou je těžké rozbít, i když se v bateriích zahřeje. Další výhodou je, že tento typ lze vyrobit s ještě nižšími náklady než baterie na bázi manganu používající železo. Nevýhodou tohoto typu je nízká hustota energie.
- Na bázi tří složek
Kladná elektroda: kobaltitan lithný je částečně nahrazen niklem a manganem Li(Ni-Co-Mn)O2 / Záporná elektroda: grafit LiC6 - Třísložkové lithium-iontové baterie, nazývané též baterie na bázi NCM, používají tři složky – kobalt, nikl a mangan – za účelem zvýšení bezpečnosti. Stejně jako baterie na bázi NCA se tento typ používá v plug-in hybridních elektromobilech.
- Na bázi titanu
Kladná elektroda: LiMn2O4 / Záporná elektroda: Li4Ti5O12 - Lithium-iontové baterie na bázi titanu mají dlouhou životnost, přibližně šestkrát delší než konvenční lithium-iontové baterie používající zápornou elektrodu z grafitu, a také se velmi rychle nabíjejí. Nevýhodou ale je, že mají nízkou hustotu energie.
Problémy pozorování a analýzy sekundárních baterií, například očekávaných baterií nové generace a lithium-iontových baterií
Současně s úpravami a zlepšováním výkonu lithium-iontových baterií podporují všichni výrobci i vývoj sekundárních baterií nové generace. Níže si můžete přečíst základní informace o typech a charakteristikách reprezentativních baterií nové generace, jejichž dostupnost a všeobecné rozšíření se blíží. Je uveden i přehled problémů při pozorování a analýze v průmyslu sekundárních baterií, kde mezi výrobci probíhá lítý konkurenční boj.
Baterie nové generace, jejichž dostupnost a všeobecné rozšíření se blíží
Vzhledem k rozšiřujícím se oblastem použití, např. v elektromobilech (EV), se předpokládá, že sekundární baterie nové generace budou ještě bezpečnější a budou mít ještě větší kapacitu. Řada společností, bez ohledu na velikost, pracuje na výzkumu a vývoji sekundárních baterií nové generace jako na způsobu zlepšení své podnikatelské budoucnosti. Níže si můžete přečíst základní informace o reprezentativních sekundárních bateriích nové generace.
- Lithium-vzduchová baterie
- Některé studie naznačují, že hustota kapacity může teoreticky překročit 10 000 Wh/kg. V testech tato charakteristika prokazatelně dosáhla přibližně 600 Wh/kg. Na kovovém lithiu, použitém jako záporná elektroda, se však snadno tvoří usazeniny. Tím se při reakci se vzdušnou vlhkostí může bezpečnost tohoto kovu snížit a jeho charakteristika zhoršit.
- Pevnolátkové baterie
- Pevnolátková baterie používá jako separátor pevný elektrolyt místo kapalných elektrolytů používaných v lithium-iontových bateriích. To umožňuje vyrábět pevnolátkové baterie v různých tvarech a bez úniku kapalin. Teoretická hustota kapacity by mohla být nejméně 2000 Wh/kg. To je však jen teoretická hodnota. V současné době probíhá výzkum a vývoj za účelem uvedení tohoto typu baterie do praxe s cílovou hustotou kapacity 500 Wh/kg nebo větší. Tento typ baterie se může rychle nabíjet a vybíjet a ani po mnoha nabíjecích cyklech nedegraduje.
Pevné elektrolyty jsou k dispozici ve dvou typech: na bázi síry a na bázi kyslíku. Elektrolyt na bázi síry má skvělé charakteristiky, ale při vznícení nebo reakci s vodou u něj existuje riziko generování sulfanu. Výroba pevnolátkových baterií začala u malých kusů pro elektronická zařízení.
- Lithium-iontová baterie nové generace
- Jako záporné elektrody se používají křemík a grafen. Účelem výzkumu a vývoje tohoto typu baterie bylo zvýšit kapacitu při použití stávajících výrobních procesů. Pozornost při výzkumu přitáhla skutečnost, že přechod na jiné elektrolyty může zvýšit rychlost nabíjení a vybíjení.
- Lithium-sírová baterie
- Lithium-sírové baterie mohou mít teoreticky hustotu kapacity 2500 Wh/kg, což je víc než u pevnolátkových baterií, a nepoužívají se v nich žádné drahé materiály jako kobalt. Při takových vlastnostech lze očekávat velké kapacity s nízkými náklady. Zároveň mají lithium-sírové baterie nízkou vodivost a nízkou stabilitu a po mnoha nabitích mohou degradovat.
- Sodík-iontové baterie
- Hustota kapacity sodík-iontových baterií je sice stejná nebo mírně menší než u dnešních lithium-iontových baterií, lze je ale vyrábět s nízkými náklady, protože není potřeba žádný vzácný kov a je možné použít stávající výrobní zařízení. Stejně jako u stávajících lithium-iontových baterií existují u sodík-iontových baterií obavy týkající se bezpečnosti, například vysoká reaktivita usazenin sodíku, a jejich charakteristika může po mnoha nabíjecích cyklech degradovat.
Problémy pozorování a analýzy sekundárních baterií, například lithium-iontových baterií
Výrobci si vzájemně konkurují ve výzkumu a vývoji bezpečnějších lithium-iontových baterií s vyšším výkonem. Rychlý životní cyklus produktů vyžaduje zajištění a kontrolu kvality. Navíc se řada společností a výzkumníků každý den utkává na poli výroby pokročilých technologií ve výzkumu, vývoji a žádostech o patenty týkajících se baterií nové generace.
Proto jsou pozorování, měření, analýza, kvantitativní hodnocení a dokonce i rychlost těchto operací důležité a mohou být klíčovými faktory úspěchu testování i zajištění kvality při výzkumu, vývoji a zdokonalování sekundárních baterií.
Pozorování a analýza pomocí optických mikroskopů však přináší následující problémy.
- U trojrozměrných objektů nebo objektů s nepatrnými škrábanci s malým kontrastem je obtížné nastavit zaostření a určit světelné podmínky. Pozice zaostření se u těchto objektů operátor od operátora liší, což vede k chybám výsledků hodnocení.
- Při pozorování oblastí obsahujících směs materiálů s různými lesklými povrchy mohou vznikat odlesky. Určit pro pozorování těchto objektů vhodné nastavení osvětlení je obtížné, což má často za následek chyby analýzy.
- Zarovnání vzorku a změna úhlu vyžaduje čas a úsilí.
- Nastavení pro počítání nečistot a pozorování cizích částic zblízka v souladu s uznávanými průmyslovými standardy může být těžkopádné a náročné na čas a námahu. Kromě toho je pro dosažení přesných výsledků analýzy a kvantitativních hodnot potřeba vysoká úroveň odbornosti.
- Naměřené hodnoty a počty se neukládají jako číselné údaje, což znamená velké nároky na čas a úsilí při následných činnostech, například analýze, hodnocení a tvorbě zpráv.
Níže uvádíme příklady rychlého a přesného pozorování a analýzy s jednoduchým ovládáním pomocí našeho nejnovějšího digitálního 4K mikroskopu, který výše uvedené problémy řeší.
Nejnovější příklady použití našeho digitálního 4K mikroskopu, který zvyšuje efektivitu pozorování, analýzy a hodnocení lithium-iontových baterií
Nedávné technické pokroky v oblasti digitálních mikroskopů umožňují vyřešit problémy týkající se optických mikroskopů a pomocí jednoduchých úkonů pozorovat jednotlivé části sekundární baterie rychleji a zřetelněji i při velkém zvětšení. Nejnovější digitální mikroskopy dokážou výrazně zvýšit efektivitu práce při měření rozměrů, analýze znečištění (cizorodých částic), tvorbě zpráv s využitím obrázků a číselných údajů a dalších souvisejících činnostech.
Digitální 4K mikroskop KEYENCE řady VHX umí zaznamenávat zřetelné snímky a měřit rozměry s využitím objektivu HR s vysokým rozlišením, snímače CMOS s rozlišením 4K, osvětlení a technologie zpracování obrazu, které umožňují efektivněji provádět pozorování, analýzu a hodnocení sekundárních baterií.
V další části jsou uvedeny základní příklady použití mikroskopu řady VHX k pozorování a analýze lithium-iontových baterií.
Počítání cizorodých částic (analýza znečištění odpovídající normám ISO)
Mikroskop řady VHX umožňuje měřit znečištění podle norem čistoty v automobilovém průmyslu ISO 16232 a VDA 19. Tento výrobek je vybaven funkcí přesného automatického počítání a měření oblasti, která využívá snímky s vysokým rozlišením a velkou hloubkou ostrosti pořízené pomocí velmi účinného vestavěného osvětlení. Pomocí těchto funkcí lze přesně a snadno počítat a měřit znečištění, například cizorodé částice, i u objektů s nerovnostmi povrchu.
V režimu detailní analýzy se stolek automaticky pohybuje poté, co operátor jednoduše vybere nečistotu na snímku celého membránového filtru, takže lze vybranou nečistotu pozorovat na stejném snímku zblízka a při velkém zvětšení. To umožňuje rychlou a snadnou identifikaci cizorodých částic. Kombinace funkcí hloubkové kompozice a 3D měření výšky umožňuje podrobně pozorovat a kvantifikovat 3D měření i na objektech s povrchovými nerovnostmi.
Pozorování škrábanců na separátorech
Hlava mikroskopu řady VHX s vysokým rozlišením (HD) umí automaticky přepínat mezi objektivy a tím plynule měnit úroveň zvětšení od 20× do 6000× bez výměny objektivu. Vestavěné osvětlení (s motorizovanou clonou) nabízí nejrůznější způsoby pozorování, mezi které patří světlé pole, temné pole, polarizované světlo a diferenciální interferenční kontrast (DIC). Produkt umí automaticky podporovat pozorování libovolného objektu.
Lze například snadno a rychle vizualizovat nepatrné škrábance na povrchu separátoru na snímcích s vysokým rozlišením 4K pořízených pomocí DIC.
Pozorování materiálu sloupnutého ze záporné elektrody
Digitální 4K mikroskop řady VHX má velkou hloubku ostrosti, takže umožňuje pozorování pomocí snímků ve vysokém rozlišení 4K zaostřených v celém pozorovacím poli.
Díky vestavěnému osvětlení tento mikroskop také podporuje různé pozorovací podmínky a umožňuje jasné pozorování i v případě, že objekt obsahuje směs materiálů s různými lesklými povrchy.
S funkcí vícenásobného osvětlení lze navíc jedním stisknutím tlačítka automaticky snímat obrazová data s všesměrovým osvětlením. Snímek pro pozorování lze získat výběrem toho nejvhodnějšího z pořízených snímků. Protože kromě vybraného jsou uložena i data ostatních snímků, lze objekt pozorovat pomocí dalších snímků pořízených za jiných světelných podmínek. Navíc lze podmínky při pořízení staršího snímku reprodukovat a použít k pozorování jiného vzorku stejného typu objektu, což při pozorování a hodnocení omezuje možnost lidské chyby.
Pozorování svařovaných částí bateriových pouzder
Pro zajištění bezpečnosti lithium-iontových baterií je velmi důležitá kvalita svařování použitého k upevnění víka nebo krytu hranatých pouzder.
Mikroskopy řady VHX nabízejí režim optického stínového efektu, nový způsob pozorování, který zvýrazňuje mikroskopické tvary. Analýzou posuvu (kontrastu) na snímku pořízeném za všesměrového osvětlení, které umožňuje získat jasný snímek pro pozorování, lze detekovat nepatrné povrchové nerovnosti.
Snímek v režimu optického stínového efektu lze překrýt informacemi o barvě a srozumitelně vizualizovat informace o povrchových nerovnostech současnou prezentací informací o povrchových nerovnostech a informací o barvě a zobrazením informací o povrchových nerovnostech v jiných barvách (barevné mapování).
3D měření povrchových nerovností a měření profilu požadovaného místa lze pomocí uložených snímků provést i po pozorování. Proto není třeba ztrácet čas opakovaným nastavováním stejného vzorku, přesným vymezováním stejného místa a reprodukováním podmínek pozorování, i když je další analýza potřeba až později.
Do mikroskopu řady VHX lze stejně jako do počítače přímo nainstalovat tabulkový procesor. Zaznamenané snímky pozorování a naměřené hodnoty mohou být automaticky vloženy do šablony, což výrazně zkracuje dobu strávenou vypracováváním zpráv.
4K mikroskop, který optimalizuje výzkum, vývoj, zajištění kvality a kontrolu kvality sekundárních baterií
Digitální 4K mikroskop řady VHX poskytuje snímky tak zřetelné, jak lze dosáhnout jen vysokého rozlišení 4K, a umožňuje velmi přesné 2D a 3D měření a pořizování číselných dat prostřednictvím počítání a analýzy znečištěni s jednoduchou obsluhou. Tento mikroskop je výkonným nástrojem, který řeší problémy vznikající při pozorování a kontrole a výrazně zlepšuje efektivitu práce použitím snímků s vysokým rozlišením a kvantitativních číselných dat.
U série úkonů potřebných k pozorování, analýze, hodnocení a tvorbě zpráv lze dosáhnout vyšší efektivity a tím i zkrácení času potřebného na tyto úkony. Vyšší efektivita může zrychlit pracovní postupy, což je na trhu sekundárních baterií, kde pozorujeme tvrdou konkurenci, klíčový faktor.
Pokud máte další dotazy k řadě VHX, klikněte na tlačítka níže.
