锂离子电池:热增长，压力，展望未来

如今，以锂离子化学为主导的可充电电池在许多方面都得到了验证，但同时也充满了挑战。

锂离子电池(LIB)诞生于上世纪八九十年代，首次对移动设备产生重大影响:智能手机、平板电脑、相机和电动工具。这是唯一可能的，因为LIB是好。它们的高能量密度和电压、稳定性、低重量、长寿命周期和化学成分的多样性使它们具有开创性，远远领先于以前的可充电电池技术。从那时起，随着全球需求的持续快速增长，它们的使用一直在扩大。

如今，消费电子产品仅占LIB需求的20%，而且这一数字预计将继续下降。相反，未来将是推动全球运输和能源系统转向电力，为人类创造一个更加脱碳的未来。根据世界经济论坛的数据，到2030年，乘用车将占全球电池需求的60%。与商业运输和能源部门一样，锂离子电池的全球市场也得到了预测2022-2027年年均复合增长率在20%左右，2027年市场规模达到2000亿美元．电动汽车(ev)正在改变汽车和交通行业，预计将占锂离子电池需求的大部分。Frost & Sullivan预计2025年电动汽车销量将在1200万辆至1500万辆之间从2018年起，全球锂离子电池产能将增长10倍。根据Frost and Sullivan的数据，亚洲电池制造商拥有先发优势，部分原因是中国对电动汽车的高需求，已经占全球锂离子电池产量的70%左右。

可充电电池技术也不是一成不变的。随着多家公司寻求性能、效率和质量方面的改进，它们的解决方案也在不断变化。

如果世界有机会实现零碳排放，可充电电池将是解决方案的关键部分。

全球普及之路上的减速带

不过，风险还是存在的。LIB的制造非常复杂，特别是在电动汽车应用中，安全性、耐用性和模块化与性能、效率和价格方面的竞争压力相竞争。单个电池必须生产出来，然后组装成包含数百个电池的电池模块。就像任何制造过程一样，完美是目标，而不是终点。收益总是有限度的。这是复杂的事实，单个单元故障可能需要拆卸整个模块和删除失败的单元。未被发现的失效电池更糟糕:它们会大大降低整个模块的输出功率和性能，甚至会带来危险。

2018年，美国国家运输安全委员会调查了一系列火灾在特斯拉汽车中，研究高压LIB是否会在事故发生后对急救人员构成安全风险。

2021年，澳大利亚可能是最致力于将锂电池纳入电网的国家，但它也面临着电池系统的挑战。在2021年，它看到了在维多利亚测试期间，该公司的大型电池系统发生火灾．目前，有关电网故障的调查正在进行中基于电池的备份系统没有达到预期．事故原因尚不清楚。

2022年4月，美国安全监管机构对电动和混合动力汽车电池展开了新的调查五家汽车制造商因可能导致火灾或失速的缺陷发布了召回．美国国家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration)说，新的调查涵盖了13.8万多辆装有韩国LG能源解决方案公司(LG Energy Solution)电池的汽车，涉及通用汽车(General Motors)、梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)、现代(Hyundai)、Stellantis和大众(Volkswagen)生产的汽车。

虽然这些案例令人担忧，但并不令人惊讶。目前化石燃料和内燃机制造的安全和质量标准得益于100多年的改进。尽管电动汽车也有很长的历史，但直到20世纪90年代，镍氢(镍氢)电池被用于电动汽车，锂电池发展成为一种可行的替代品，电动汽车才开始加速大规模生产。

通过检查使电池更安全

更苛刻的LIB应用要求我们更好地理解材料和器件的性能、退化和危害。在几乎任何电力系统中，电池系统的故障都会带来多重危害。由于缺乏对标准化设备的长期跟踪记录来了解风险，因此有充分的理由增加对所有单个电池组装成模块之前和之后的质量控制测试。虽然每个单元和模块都可能在不同的阶段进行了当前的测试，但这只是提供了部分理解。

最好的质量策略是在生产过程中尽早开始检查，这样就不会浪费时间和资源来报废或回收接近成品。早期缺陷检测允许制造商微调反馈回路，调整工艺机械以优化结果。

正如我们在之前的可能性文章中看到的那样，第一次视觉检查发生在制造箔，用于制造电极(阴极和阳极)。箔及其涂层的质量和一致性对电池的功能和安全性至关重要:随着时间的推移，外来颗粒、颠簸和不均匀性会挤压或摩擦隔膜箔，从而导致短路，导致灾难性的电池故障。通常，这种检查是在切片或冲孔过程之后进行的，这可能导致颗粒在滚动、折叠或堆叠电极之前沉积在表面。

通常，深灰色背景上的一些深灰色缺陷就可以决定电池的性能和寿命。制造商发现，从50微米一直到10微米，寻找这些缺陷非常重要。接触成像通常用于“粗略”的初始过程，但对于后续的详细检查，公司会使用线扫描相机和高灵敏度TDI(时间延迟与集成)相机来提供必要的分辨率和灵敏度。

还有更多创新的解决方案多场TDI摄像机这提供了同时从三个不同光谱和角度捕获光的额外好处，为缺陷检测和分析提供更多的图像数据，而不会产生进一步的成本或降低系统速度。

其他类型的成像用于不同的组装阶段。高速三维激光剖面仪多用于测量三维物体的形式如触片焊接均匀性、触片变形和方位。焊接不良的接触片可能会断裂或导致间歇性接触丢失。区域扫描摄像机主要用于将单个电池包装成较大的电池，其中外壳中数百个电池的方向必须精确控制。

一旦组装好，电池模块的“黑匣子”性质，尤其是在密封和保护水平较高的运输应用中，会带来问题:如果看不到内部，如何进行检查?这需要超出视觉范围的成像。

例如，电池创新中心BIC专注于为商业和国防应用快速开发、测试、验证和商业化的安全、可靠和轻质电池。他们的过程包括广泛的滥用(或破坏性的)测试，将电池暴露在一些最坏的情况下，以了解由此产生的安全问题。为了从这些测试中收集尽可能多的数据，BIC使用Teledyne FLIR高速热成像摄像机来揭示其他技术无法捕捉到的热细节．

(点击播放)高速热成像捕捉到指甲穿透测试期间电池中扩散的热量。视频由Teledyne FLIR提供

通过热成像，工程师可以很容易地看到电池损坏时外部的情况，而且里面发生了什么而且热量是如何发展的。

研究人员还观察了不同类型的x射线衍射进行原位分析，包括x射线和甚至超声成像．这可以分析电池的物理结构和材料，为与电池运行和降解相关的物理化学反应提供线索。虽然CT分析不能揭示细胞内部的电化学，但它可以揭示细胞内部的机械工作原理。热失控火灾可能有机械原因，但电化学过程可以留下机械证据。与任何应用程序一样，在图像质量和时间之间有一个平衡。

其中一些可以用快速的2D x射线系统完成，但可见信息有限。通过3D x射线成像，可以全面了解电池单元和模块的关键方面，而延时(4D)断层扫描则有助于揭示电池老化过程和变化。

工业计算机断层扫描(CT)在整个电池生命周期中发现更多的缺陷和内部变化。尽管如此，还是很难分辨出有趣的结构:由于材料的密度非常相似，而且往往很薄，结果往往是一张低对比度的灰度图像。ct数据分析和可视化软件正在增加一些功能，在人工智能的帮助下，可以看到更有信息的外观。

动态中子射线照相术已被证明是无损测试的另一个有前途的选择，为研究人员提供了系统内部工作的实时数据。与x射线相比，中子相互作用为x射线成像提供了一些有用的优势，因为它们与元素的相互作用不同。首先，锂和电池内部的液体电解质极其敏感，中子法发生不良反应的几率较低。其次，氢和锂等较轻元素的中子可见性高，可以直接观察关键的电池过程，如锂扩散、电解质消耗和气体形成。研究人员仍在努力帮助中子成像迎头赶上利用今天CT扫描的空间和时间分辨率，这种衍射成像可以帮助我们更好地应对当前和下一代电池化学的挑战。

为了更深入地分析电池内部的非结构条件，一些研究人员已经转向电子显微镜，可以揭示电池内部的电化学反应．就像中子成像一样，分辨率仍然是一个挑战，但该领域发展非常迅速。这种成像很有可能提高我们对各种可充电离子电池内部纳米级电化学事件的基础知识。

电池制造的不可预测的未来

今天看来从研发角度看，LIB技术是成熟的更重要的是优化产品和生产。优化正在推动有希望的新化学物质的发展，使电池更具成本效益和环境友好性。

例如，钴是锂离子电池的主要金属之一，因为这种金属可以延长电池寿命和能量密度。但钴是电池中最昂贵的材料之一。虽然电池价格在2010年至2021年间下降了89%，它们仍占电动汽车总成本的30%左右．随着全球电动汽车销量的快速增长，对钴等电池原材料的需求预计将超过供应。避免使用钴(甚至锂)的解决方案，这两种都已经引发了争议严重的环境和人权问题)正变得越来越有吸引力。

其中一些解决方案更严重地依赖于镍，而镍本身也带来了挑战。2020年初，控制着全球四分之一镍供应的印度尼西亚提前两年停止了镍出口。但大流行和全球金融的变幻莫测导致镍价格下跌，影响了公司的投资，否则这些公司将投资增加镍产量，结果在2022年初飙升。

新技术将被引入，以克服当前lib的一个基本缺陷:液体，含氟，高度易燃的电解质。这种成分对电池的处理、储存和潜在的回收)提出了严峻的挑战。新兴储能技术的基础更多镁等丰富的材料很有希望．用镁金属制成的电池比现在的锂离子电池具有更高的能量密度、更强的稳定性和更低的成本。另一个有希望的方向是转向固态设计它们更加稳定，但在性能上(还)没有竞争力。

今天，以及在可预见的未来，锂电池及其类似物的障碍将继续是制造可靠、高质量的电池，面对不断优化和全球供应链的波动。这可能会影响制造商所追求的设计，以及他们用来完善和检查这些设计的工具。