機器視覺「智造」鋰電池的未來

作者 : Christian Loeb, Teledyne Dalsa,區域銷售經理

電動車和太陽能發電系統中使用的鋰電池將成為推動綠色革命的動力。

以典型的電動車特斯拉(Tesla) Model S車型為例,它使用了超過7600節鋰離子電池。然而,在不久的將來,這種使用大量電池的情況不會再被視為典型,而是會被認為很奇怪。

在未來的幾十年,要過渡到綠色能源就必須相應地增加電池的產量,並提高其創新性。鋰離子電池將在不久的將來成為綠色能源革命的主力,為幾乎所有的東西儲存能量,涵蓋從電動車到飛機,再到家庭和商業建築。

鋰離子電池有三種類型:圓柱形、袋狀和方形(也稱為電池罐)。智慧型手機通常使用袋狀電池,而大多數家用電器則使用圓柱形電池。

全世界的電池產量正快速攀升。特斯拉於2015年在美國內華達州斯帕克斯建成了它的第一家「超級工廠」,用於生產蓄電池。其另一家「超級工廠」位於紐約州的布法羅市,於2017年投入營運,主要生產太陽能電池。該公司計劃在未來幾年在德國柏林和美國德州奧斯汀再開設2家工廠。歐洲電池公司Northvolt也計劃於2021年在瑞士Skellefteå開始大規模建造一座超級工廠。

向綠色能源過渡為全球經濟的新產業提供了一條長長的跑道。隨著對太陽能電池和蓄電池的需求增加,製造業從中受益,並且隨著新技術的發展,產業生態系統將得到發展,為製造業的高速成長和高生產力提供支持。鋰離子電池目前正處於生態和經濟革命的前沿。

如何製造鋰離子電池?

雖然鋰離子電池的重要性不言而喻,從概念上來說,鋰電池的結構非常簡單。在結構上,鋰離子電池的陽極(帶正電荷)和陽極(帶負電荷)電極片交替堆疊,每層之間用隔膜隔開。電極片之間注入液態或固態電解液,以促進陽極片和陰極片之間的能量轉移。

鋰離子電池的結構。相較於金屬電池,鋰離子電池在運行和充電過程中更加穩定。 鋰離子電池的能量密度通常是鎳鎘電池的2倍,但其往往比其他電池更重。

陰極片通常由鋁箔製成,而陽極片則通常由銅箔製成。每一片均塗以特定的材料,以提高導電性、效率和黏合力。

活性材料:決定了鋰離子電池的容量、電壓和特性。陰極活性材料通常包括鋰鈷氧化物、錳酸鋰氧化物或磷酸鐵鋰。陽極片則通常塗有某種碳材料,如石墨或鈦酸鋰。

黏合劑:用於將混合物黏附在箔材上。

溶劑:促進漿料中材料的混合,使混合物能夠塗附在電極片上。

此外,陽極還含有導電劑,以降低電池內阻並提高導電性。

電極之間的隔膜多孔聚烯烴薄膜材料製成,該材料塗有芳香族聚酰胺塗層,然後切割成一定尺寸。當電極片疊放完成後,電極片將採用以下三種主要形式之一(圓柱形、袋狀和方形)放入電池殼中。根據電池的形狀和特性,電池殼將包括外部正極和負極端子(以與被供電裝置連接)、外殼與電極堆之間的絕緣層、墊圈、排氣孔和其他元件。

圓柱形電池是首個產量的鋰電池類型之一,它由陽極片、隔膜和陰極片按順序堆疊並捲繞而成。圓柱形電池非常適合自動化生產,其形狀使得電池能夠承受更高度的內部壓力而不變形。圓柱形電池通常用於醫療器械、筆記型電腦、電動自行車和電動工具中,並且是Tesla電動車龐大電池組中的一個組成部份。

以相機確保鋰電池的品質

儘管從概念上來說,鋰離子電池的製造很簡單,由具有塗層的電極疊片和電解質溶劑組成,但實際生產過程相當複雜且敏感。電極的塗層厚度對電池的性能甚至穩定性都有著很大的影響。

採用機器學習演算法的線性掃描相機,有助於在鋰離子電池製造的品質保證階段實現自動化和最佳化。以Teledyne DALSA的Linea相機系列為例,此款線性掃描相機可以安裝在工廠生產線上,在製造過程中自由移動,從而監控材料的生產。線性掃描相機非常適合用於檢查電極片,這是因為電極片從捲繞到塗層再到堆疊的過程均以高速運行。

檢測相機的雷射輪廓儀可覆蓋鋰離子電池的整個製造過程。這些相機可以測量電極片和塗層的厚度,查找電極片上的表面缺陷,如凹痕、劃痕或彎曲邊緣,測量圓柱形或袋狀電池的電池殼尺寸,並監控電池外部端子的焊接品質。

離子電池的發展潛力

電動車銷售量與內燃引擎汽車銷售量的比例通常可用於預測鋰離子電池成長率的分界線。預計到2025年,電動車將佔汽車銷售量的10%,之後在2030年和2040年,這一比例將分別提高到28%和58%。例如,美國加州是美國人口最多的一州,也是世界上最大的經濟體之一,其目標是在2035年,在該州銷售的所有新車和載客車均實現零排放。

由於蓄電池儲能通常與再生能源成對出現,其中一種能源的增加直接預示著另一種能源的採用。根據美國能源資訊署(EIA)的數據,2021年美國70%的新能源產能將來自可再生能源(其中39%來自太陽能,31%來自風能)。因此,該年的蓄電池儲存容量也將上升,比往年增加4倍。世界上最大的太陽能電池將於2021年底在佛羅里達州投入使用。

電池製造商必須做好準備,以因應未來對鋰離子電池的需求。線性掃描相機、雷射輪廓儀和機器學習的使用,將有助於電池製造商最佳化品質保證流程,從而提高效率。

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