W tej części przedstawiono najnowsze przykłady obserwacji i analizy dotyczące akumulatorów litowo-jonowych i baterii nowej generacji
Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na zastosowania w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych, takich jak mniejsze i cieńsze urządzenia elektroniczne, akumulatory samochodowe wymagające dużej pojemności i bezpieczeństwa oraz systemy magazynowania energii w budynkach mieszkalnych, akumulatory litowo-jonowe stały się ważną dziedziną przemysłu. Pojemności akumulatorów litowo-jonowych i szybkość ich ładowania są coraz lepsze. Jednocześnie z akumulatorami tymi wiążą się zagrożenia, których nie można pominąć, takie jak zapłon, wydzielanie ciepła i dymu. Aby zmniejszyć to ryzyko, ważne jest zapewnienie bezpieczeństwa podczas badań, rozwoju, zapewniania jakości i kontroli jakości.
Ponadto w tej branży obserwacja, analiza, ocena i tworzenie raportów muszą być wykonywane tak szybko, jak to możliwe, ponieważ cykl produkcyjny jest bardzo szybki ze względu na silną konkurencję. W tej części przedstawiono podstawowe informacje na temat akumulatorów litowo-jonowych, najczęściej omawianych baterii nowej generacji oraz przykłady najnowszych obserwacji i analiz istotnie poprawiających wydajność pracy.
- Podstawowa struktura, typy i materiały akumulatorów litowo-jonowych
- Problemy związane z obserwacją i analizą ogniw wtórnych, takich jak akumulatory nowej generacji i akumulatory litowo-jonowe
- Najnowsze zastosowania naszego mikroskopu cyfrowego 4K poprawiającego efektywność obserwacji, analizy i oceny akumulatorów litowo-jonowych
- Mikroskop 4K optymalizujący badania, rozwój, zapewnienie i kontrolę jakości ogniw wtórnych
Podstawowa struktura, typy i materiały akumulatorów litowo-jonowych
Akumulatory litowo-jonowe, zwane w skrócie LiB, są powszechnie używane w różnych produktach, takich jak mniejsze i cieńsze urządzenia elektroniczne, w tym smartfony, tablety, urządzenia do noszenia i laptopy, akumulatory samochodowe do pojazdów elektrycznych (EV) i hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV) oraz systemy magazynowania energii dla domowych instalacji fotowoltaicznych i ogniw paliwowych. Ze względu na coraz szersze zastosowania, akumulatory litowo-jonowe są obecnie produkowane w różnych strukturach i kształtach. Czytaj dalej, by poznać podstawową budowę, typowe kształty i kilka innych elementów związanych z akumulatorami litowo-jonowymi.
Podstawowa struktura akumulatorów litowo-jonowych
Wszystkie części akumulatora litowo-jonowego, wraz z ich funkcjami, objaśniono na rysunku przedstawiającym typowy przykład podstawowej struktury tych akumulatorów.
- A) Elektroda ujemna (katoda): materiały węglowe o wysokiej przewodności (grafit, tytanian litu, itp.) są nanoszone na folię miedzianą.
- B) Elektroda dodatnia (anoda): złożone tlenki litu (lit, mangan, kobalt, nikiel itp.) są nanoszone na folię aluminiową.
- C) Separator: jest to mikroporowata membrana wykonana ze związku chemicznego zwanego poliolefiną (przykładami są polietylen [PE] i polipropylen [PP]). Na powierzchni membrany znajdują się małe otwory (1 mikrometr lub mniej). Separator izoluje elektrody dodatnią i ujemną i zapobiega pożarom spowodowanym ich zetknięciem.
- D) Elektrolit: sól litu rozpuszczona w rozpuszczalniku organicznym.
- E) Ładowanie
- F) Rozładowanie
- G) Kolektor prądu: odgrywa rolę przewodnika elektrycznego gromadzącego wygenerowaną elektryczność oraz działa jako materiał nośny. Elektrodę dodatnią stanowi folia aluminiowa, a elektrodę ujemną folia miedziana.
- H) Spoiwo: służy do łączenia materiałów mieszanych z warstwą kolektora.
- I) Aktywny materiał: istotnie wpływa na pojemność, napięcie i właściwości. Istnieją różne materiały, których można użyć (takie jak tlenek kobaltu litu, tlenek manganu litu i fosforan żelaza litu), proporcje i metody mieszania.
Kształty i formy akumulatorów litowo-jonowych
Ogniwa akumulatorów o strukturze wewnętrznej przedstawionej powyżej są pokryte obudowami o różnych kształtach i formach, wykonanymi z różnych materiałów. Trzy reprezentatywne kształty (formy) akumulatorów litowo-jonowych przedstawiono poniżej na rysunkach.
- Typ cylindryczny
-
- A: Styk elektrody dodatniej
- B: Styk elektrody ujemnej
- a: Elektroda dodatnia
- b: Elektroda ujemna
- c: Separator
Uważa się, że cylindryczne akumulatory litowo-jonowe mają największą gęstość energii przy najniższych kosztach. Jednak gdy w jednej obudowie łączy się wiele ogniw, pomiędzy nimi pozostają przerwy, co zmniejsza gęstość.
- Pryzmatyczny
-
- a: Elektroda dodatnia
- b: Elektroda ujemna
- c: Separator
W przypadku pryzmatycznych akumulatorów litowo-jonowych często stosuje się obudowy aluminiowe. Biegunowość akumulatora pryzmatycznego zmienia się w zależności od materiału, z którego wykonano obudowę — żelaza lub aluminium. W przypadku żelaznej obudowy styk dodatni znajduje się na górze, natomiast w przypadku obudowy aluminiowej styk ujemny znajduje się na górze.
- Laminowany (akumulator litowo-polimerowy)
-
- A: Styk elektrody dodatniej
- B: Styk elektrody ujemnej
- a: Elektroda dodatnia
- b: Elektroda ujemna
- c: Separator
Akumulatory laminowane są także określane jako litowo-polimerowe. Ponieważ zastosowanie ogniwa laminowanego foliami może zmniejszyć grubość akumulatora, ten typ jest używany w urządzeniach, które muszą być cieńsze, takich jak smartfony i tablety.
Typowymi elektrolitami używanymi w akumulatorach tego typu są żele zawierające polimery takie jak tlenek polietylenu (PEO), tlenek polipropylenu (PPO) i difluorek poliwinylidenu (PVDF).
Rodzaje i właściwości materiałów stosowanych na elektrody dodatnie i ujemne w akumulatorach litowo-jonowych
Właściwości, zastosowania, a nawet koszty zmieniają się w zależności od materiałów użytych do wykonania elektrody dodatniej lub ujemnej akumulatora litowo-jonowego. Czytaj dalej, by zapoznać się z kilkoma typowymi rodzajami i ich właściwościami.
- Z zastosowaniem kobaltu
Elektroda dodatnia: tlenek litowo-kobaltowy LiCoO2/Elektroda ujemna: grafit LiC6 - Najczęściej używane są akumulatory litowo-jonowe, które są powszechnie stosowane głównie w urządzeniach mobilnych. Jednak kobalt jest drogi i istnieje ryzyko wystąpienia egzotermicznej reakcji łańcuchowej, więc zastosowanie takich akumulatorów w pojazdach budzi obawy co do bezpieczeństwa.
- Z zastosowaniem niklu
Elektroda dodatnia: tlenek litowo-niklowy LiNiO2/Elektroda ujemna: grafit LiC6 - Akumulatory litowo-jonowe wykorzystujące nikiel mają największą pojemność. Kiedyś istniały obawy co do bezpieczeństwa tego typu. Jednak baza NCA, którą wytwarza się poprzez zastąpienie części niklu kobaltem i dodanie aluminium, zwiększyła bezpieczeństwo tego typu akumulatorów, dzięki czemu mogą one być stosowane w hybrydowych pojazdach elektrycznych typu plug-in.
- Z zastosowanie manganu
Elektroda dodatnia: tlenek litowo-manganowy LiMn2O4/Elektroda ujemna: grafit LiC6 - Akumulatory litowo-jonowe (LMO) na bazie manganu są wykorzystywane głównie w samochodach, ponieważ mangan jest mniej więcej 10-krotnie tańszy od kobaltu, a jego sztywna struktura krystaliczna jest bardzo bezpieczna, ponieważ ma wysoką stabilność termiczną.
- Z zastosowaniem fosforanu żelaza
Elektroda dodatnia: fosforan litowo-żelazowy LiFePO4/Elektroda ujemna: grafit LiC6 - Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe mają strukturę krystaliczną, która jest bardzo bezpieczna, ponieważ trudno ją zniszczyć, nawet podczas podgrzewania. Kolejną zaletą jest to, że ten typ akumulatorów może być produkowany po kosztach jeszcze niższych niż akumulatory na bazie manganu, w których stosuje się żelazo. Wadą tego typu jest niska gęstość energii.
- Z zastosowaniem trzech składników
Elektroda dodatnia: nikiel i mangan zastępują część tlenku litowo-kobaltowego Li(Ni-Co-Mn)O2/Elektroda ujemna: grafit LiC6 - Akumulatory litowo-jonowe składające się z trzech składników (kobaltu, niklu i manganu), znane też jako akumulatory NCM, są bezpieczniejsze. Podobnie jak akumulatory NCA, ten typ akumulatorów jest używany w hybrydowych pojazdach elektrycznych typu plug-in.
- Z zastosowaniem kwasy tytanowego
Elektroda dodatnia: tlenek litowo-manganowy LiMn2O4/Elektroda ujemna: tytanian litu Li4Ti5O12 - Akumulatory litowo-jonowe na bazie kwasu tytanowego mają długą żywotność, około sześciokrotnie dłuższą niż konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe wykorzystujące grafit jako elektrodę ujemną, a także bardzo szybko się ładują. Ich wadą jest jednak niska gęstość energii.
Problemy związane z obserwacją i analizą ogniw wtórnych, takich jak akumulatory nowej generacji i akumulatory litowo-jonowe
Równolegle z modyfikacjami i ulepszeniami wydajności akumulatorów litowo-jonowych, każdy producent prowadzi prace nad ogniwami wtórnymi nowej generacji. Czytaj dalej, aby zapoznać się z wprowadzeniem do rodzajów i właściwości reprezentatywnych akumulatorów nowej generacji, które mają stać się dostępne i popularne. Przedstawiono również podsumowanie problemów w obserwacji i analizie w branży ogniw wtórnych, gdzie producenci ostro ze sobą konkurują.
Akumulatory nowej generacji, które mają się stać dostępne i popularne
Wraz ze wzrostem liczby zastosowań, takich jak wykorzystanie w pojazdach elektrycznych (EV), oczekuje się, że ogniwa wtórne nowej generacji będą jeszcze bezpieczniejsze i będą miały jeszcze większą pojemność. Wiele firm, niezależnie od ich skali, pracuje nad badaniami i rozwojem ogniw wtórnych nowej generacji, aby poprawić swoją przyszłość biznesową. Czytaj dalej, aby zapoznać się z reprezentatywnym ogniwem wtórnym nowej generacji.
- Akumulator litowo-powietrzny
- Niektóre badania sugerują, że gęstość energii może teoretycznie przekroczyć 10 000 Wh/kg. W testach potwierdzono możliwość osiągnięcia ok. 600 Wh/kg. Jednak na licie metalicznym, który jest używany jako elektroda ujemna, łatwo tworzą się osady. W związku z tym bezpieczeństwo tego metalu może się zmniejszyć, a jego właściwości mogą się pogorszyć, gdy wejdzie w reakcję z wilgocią zawartą w powietrzu.
- Akumulator półprzewodnikowy
- W akumulatorach półprzewodnikowych jako separator jest używany elektrolit w postaci stałej zamiast płynnego elektrolitu w akumulatorach litowo-jonowych. Umożliwia to wytwarzanie akumulatorów półprzewodnikowych o różnych kształtach. Ponadto nie ma zagrożenia wyciekiem płynu. Teoretycznie gęstość energii może wynosić co najmniej 2000 Wh/kg. Jest to jednak tylko wartość teoretyczna. Obecnie trwają prace badawczo-rozwojowe, których celem jest wprowadzenie tego typu baterii do praktycznego użytku przy docelowej gęstości energii co najmniej 500 Wh/kg. Akumulator tego typu może się ładować i rozładowywać z dużą prędkością i nawet wiele cykli ładowania nie powoduje pogorszenia jego działania.
Elektrolity w postaci ciał stałych są dostępne w dwóch rodzajach: na bazie siarki i na bazie tlenu. Elektrolit na bazie siarki ma znakomite właściwości, ale stwarza ryzyko wytworzenia siarkowodoru w przypadku zapłonu lub reakcji z wodą. Produkcja akumulatorów półprzewodnikowych rozpoczęła się od małych akumulatorów do urządzeń elektronicznych.
- Akumulator litowo-jonowy nowej generacji
- Jako elektrody ujemnej użyto krzemu i grafenu. Akumulatory tego typu są badane i rozwijane w celu zwiększenia ich pojemności przy jednoczesnym wykorzystaniu istniejących procesów produkcyjnych. Zainteresowanie wzbudza fakt, że zmiana elektrolitu na inny może zwiększyć szybkość ładowania i rozładowywania.
- Akumulator litowo-siarkowy
- Gęstość energii w akumulatorach litowo-siarkowych wynosi teoretycznie 2500 Wh/kg, a więc jest wyższa niż w akumulatorach półprzewodnikowych, a ponadto akumulatory litowo-siarkowe nie wymagają używania kosztownych materiałów, np. kobaltu. Te cechy sprawiają, że można oczekiwać większych pojemności przy niższych kosztach. Jednocześnie akumulatory litowo-siarkowe cechuje niska przewodność i słaba stabilność, a ich jakość może się pogarszać po wielu ładowaniach.
- Akumulator sodowo-jonowy
- Wprawdzie akumulatory sodowo-jonowe cechuje gęstość energii równa lub nieco mniejsza niż w przypadku obecnych akumulatorów litowo-jonowych, jednak ich produkcja nie generuje wysokich kosztów, ponieważ nie wymagają rzadkich metali i można wykorzystać istniejące urządzenia produkcyjne. W przypadku akumulatorów sodowo-jonowych, podobnie jak w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, istnieją obawy dotyczące bezpieczeństwa związane z wysoką reaktywnością osadów sodu, a właściwości akumulatorów mogą się pogorszyć po wielu cyklach ładowania.
Problemy związane z obserwacją i analizą ogniw wtórnych, takich jak akumulatory litowo-jonowe
Producenci prześcigają się w badaniach i tworzeniu bezpieczniejszych akumulatorów litowo-jonowych o wyższej wydajności. Szybki cykl produkcyjny wymaga zapewnienia i kontroli jakości. Co więcej, w badaniach, rozwoju i zgłaszaniu patentów dotyczących akumulatorów nowej generacji wiele firm i naukowców codziennie konkuruje ze sobą, by stworzyć lepsze technologie.
Dlatego obserwacja, analiza, ocena ilościowa, a nawet szybkość tych działań są ważne i mogą być kluczowymi czynnikami sukcesu zarówno w testowaniu, jak i zapewnianiu jakości w badaniach, rozwoju i ulepszaniu ogniw wtórnych.
Jednocześnie obserwacja i analiza przy użyciu mikroskopów optycznych wiąże się z następującymi problemami.
- Regulacja ostrości i określenie warunków oświetleniowych są trudne w przypadku obiektów trójwymiarowych lub obiektów z drobnymi rysami o niskim kontraście. W przypadku tych obiektów ustawienie ostrości różni się w zależności od operatora, co prowadzi do błędów w wynikach oceny.
- Podczas obserwacji obszarów zawierających mieszaninę materiałów mających powierzchnie o różnym połysku mogą wystąpić odblaski. Trudno jest określić ustawienia oświetlenia odpowiednie do obserwacji tych obiektów, co często powoduje błędy w analizie.
- Wyrównanie próbki i zmiana kąta wymaga czasu i wysiłku.
- Konfiguracja, umożliwiająca zliczanie zanieczyszczeń i dokładną obserwację obcych cząstek zgodnie z obowiązującymi normami przemysłowymi, może być kłopotliwa, ponieważ wymaga dużo czasu i wysiłku. Ponadto do uzyskania dokładnych wyników analizy i wartości ilościowych wymagany jest wysoki poziom wiedzy specjalistycznej.
- Zmierzone wartości i zliczenia nie są przechowywane jako dane liczbowe, co powoduje, że późniejsza praca, taka jak analiza, ocena i tworzenie raportów, wymaga wiele czasu i wysiłku.
Przeczytaj dalej, by zapoznać się z przykładami szybkich i dokładnych obserwacji oraz analiz przy zachowaniu prostej obsługi dzięki najnowszemu mikroskopowi cyfrowemu 4K, który rozwiązuje powyższe problemy.
Najnowsze zastosowania naszego mikroskopu cyfrowego 4K poprawiającego efektywność obserwacji, analizy i oceny akumulatorów litowo-jonowych
Dzięki postępowi technologicznemu, jaki dokonał się ostatnio w dziedzinie mikroskopów cyfrowych, problemy występujące przy stosowaniu mikroskopów optycznych mogą zostać rozwiązane, a każdą część ogniwa wtórnego można nawet przy dużych powiększeniach obserwować szybciej i wyraźniej, wykonując proste czynności. Najnowsze mikroskopy cyfrowe mogą znacznie poprawić wydajność pracy przy wymiarowaniu, analizie zanieczyszczeń (cząstek obcych), tworzeniu raportów z wykorzystaniem obrazów i danych liczbowych oraz innych powiązanych operacjach.
Mikroskop cyfrowy 4K serii VHX firmy KEYENCE może rejestrować wyraźne obrazy i określać wymiary, wykorzystując obiektywy o wysokiej rozdzielczości, matrycę obrazu CMOS 4K, oświetlenie i technologię przetwarzania obrazu, umożliwiając obserwację, analizę i ocenę ogniw wtórnych z większą wydajnością.
Czytaj dalej, by zapoznać się z przykładami obserwacji i analizy baterii litowo-jonowych przy użyciu serii VHX.
Zliczanie obcych cząstek (analiza zanieczyszczeń zgodna z normami ISO)
Urządzenia serii VHX mogą mierzyć zanieczyszczenia zgodnie z normami ISO 16232 i VDA 19 dotyczącymi czystości w branży motoryzacyjnej. Ten produkt jest wyposażony w funkcję dokładnego automatycznego pomiaru obszaru/zliczania, która wykorzystuje obrazy o wysokiej rozdzielczości i dużej głębi ostrości, rejestrowane za pomocą wysoce funkcjonalnego wbudowanego modułu oświetleniowego. Dzięki tym właściwościom zanieczyszczenia, takie jak obce cząsteczki, mogą być precyzyjnie i łatwo liczone i mierzone nawet w przypadku obiektów o nieregularnej powierzchni.
W trybie analizy szczegółowej stolik przesuwa się automatycznie, gdy operator po prostu zaznaczy zanieczyszczenie na obrazie całego filtra membranowego, co pozwala na dokładną obserwację wybranego zanieczyszczenia w dużym powiększeniu na tym samym obrazie. Umożliwia to szybką i łatwą identyfikację obcych cząstek. Dodatkowo, połączenie funkcji kompozycji głębi i pomiaru wysokości 3D umożliwia dokładną obserwację i ilościowy pomiar 3D nawet w przypadku obiektów o nieregularnej powierzchni.
Obserwacja zarysowań na separatorach
Głowica wysokiej rozdzielczości (HD) serii VHX może automatycznie przełączać się między obiektywami, aby płynnie zmieniać poziom powiększenia od 20x do 6000x bez konieczności wymiany obiektywów. Wbudowany moduł oświetleniowy ( przysłona sterowana silnikiem) umożliwia różne metody obserwacji, takie jak jasne pole, ciemne pole, światło spolaryzowane i kontrast interferencyjno-różniczkowy (DIC). Dzięki temu produktowi można prowadzić automatyczną obserwację dowolnego obiektu.
Na przykład subtelne zadrapania na powierzchniach separatorów można łatwo i szybko uwidocznić na obrazie 4K o wysokiej rozdzielczości wykonanym przy użyciu DIC.
Obserwacja złuszczonych materiałów elektrody ujemnej
Mikroskop cyfrowy 4K serii VHX ma dużą głębię ostrości, co umożliwia obserwację obrazów w wysokiej rozdzielczości 4K z pełną ostrością w całym polu widzenia.
Dzięki wbudowanemu oświetleniu mikroskop ten może być wykorzystywany w różnych warunkach obserwacji, umożliwiając wyraźną obserwację nawet wtedy, gdy obiekt zawiera mieszaninę materiałów o zróżnicowanym połysku powierzchni.
Dodatkowo, dzięki funkcji multioświetlenia, dane obrazu są automatycznie rejestrowane z oświetleniem wielokierunkowym po naciśnięciu jednego przycisku. Obraz do obserwacji można uzyskać, wybierając z zarejestrowanych najbardziej odpowiedni do tego celu. Ponieważ przechowywane są również obrazy inne niż wybrany, obiekt może być obserwowany przy użyciu innych obrazów, zrobionych w różnych warunkach oświetleniowych. Dodatkowo warunki, w jakich został zarejestrowany wcześniejszy obraz, są odtwarzane i wykorzystywane do obserwacji innej próbki obiektu tego samego typu, co zmniejsza liczbę ludzkich błędów w obserwacji i ocenie.
Obserwacja części spawanych na obudowie akumulatora
Jakość zgrzewu użytego do uszczelnienia wieka lub pokrywy w kwadratowych walizkach jest bardzo ważna dla zapewnienia bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych.
Seria VHX umożliwia wykorzystanie trybu efektu cienia optycznego, nowej metody obserwacji eksponującej mikroskopijne kształty. Drobne nierówności powierzchni można wykryć, analizując przesunięcie (kontrast) na obrazie wykonanym przy oświetleniu wielokierunkowym, co pozwala uzyskać wyraźny obraz obserwacyjny.
Informacje o kolorach mogą być nałożone na ten obraz w trybie efektu cienia optycznego, aby uwidocznić informacje o nierównościach powierzchni w czytelny sposób poprzez jednoczesne przedstawienie informacji o nierównościach powierzchni i kolorach oraz poprzez wyświetlanie informacji o nierównościach powierzchni różnymi kolorami (mapowanie kolorów).
Pomiar 3D nierówności powierzchni i pomiar profilu w wybranym miejscu może być wykonany przy użyciu zapisanych obrazów nawet po zakończeniu obserwacji. Dzięki temu nie trzeba tracić czasu na ponowne ustawianie tej samej próbki, wskazywanie tego samego miejsca i odtwarzanie warunków obserwacji, nawet jeśli później potrzebna jest dalsza analiza.
Podobnie jak w przypadku komputerów PC, oprogramowanie arkuszy kalkulacyjnych może być zainstalowane bezpośrednio na mikroskopie z serii VHX. Zarejestrowane obrazy obserwacyjne i zmierzone wartości mogą być automatycznie przesłane do szablonu, co znacznie skraca czas tworzenia raportów.
Mikroskop 4K optymalizujący badania, rozwój, zapewnienie i kontrolę jakości ogniw wtórnych
Mikroskop cyfrowy 4K serii VHX zapewnia wyrazistość, którą można uzyskać tylko na obrazach 4K o wysokiej rozdzielczości i umożliwia bardzo dokładne pomiary 2D i 3D oraz zbieranie danych liczbowych poprzez zliczanie i analizę zanieczyszczeń, przy zastosowaniu prostych operacji. Mikroskop ten jest potężnym narzędziem do rozwiązywania problemów związanych z obserwacją i inspekcją oraz do znacznej poprawy wydajności pracy przy użyciu obrazów o wysokiej rozdzielczości i ilościowych danych liczbowych.
Dla serii operacji obserwacji, analizy, oceny i tworzenia raportów można osiągnąć wyższą efektywność, skracając czas potrzebny na wykonanie tych operacji. Wyższa efektywność może przyspieszyć procesy robocze, co jest kluczowym czynnikiem dla rynku ogniw wtórnych, na którym można zaobserwować ostrą konkurencję.
Aby uzyskać dodatkowe informacje o serii VHX lub zadać pytanie, kliknij poniższe przyciski.
