锂离子电池：热增长、压力及展望未来

时间: 2024-02-11 04:57:23 |   作者: 给料喂料

  一项只出现短短几十年的技术正在推动下个世纪的交通发展未来。检验让我们紧跟步伐。

  如今，以锂离子化学为引导，可充电电池在很多方面都得到了证明，但同时也充满了挑战。

  锂离子电池（LIB）于上世纪八九十年代研制，首次对智能手机、平板电脑、相机和电动工具等移动电子设备产生了重大影响。只有锂离子电池表现良好才可能实现这一点。高单位体积内的包含的能量、高电压、高稳定性、低重量、长生命周期和化学成分多样性使得锂离子电池具有突破性，远远领先于以前的可充电电池技术。自那时起，随着全球需求的持续迅速增加，锂离子电池的应用场景范围一直在扩大。

  目前，消费电子科技类产品仅占锂离子电池需求的20%，预计这一数字还将持续下降。相反，未来将推动全球运输和能源系统向电力转型，并为人类创造一个更加低碳化的未来。根据世界经济论坛数据，到2030年，乘用车将占全球电池需求的60%。随着商业运输和能源领域的发展，预计2022~2027年全球锂离子电池市场将以20%左右的复合年增长率增长，到2027年市场规模将达到2000亿美元。

  电动汽车正在改变汽车和运输行业，预计将占锂离子电池需求的大部分。弗若斯特沙利文公司（Frost & Sullivan）预计2025年电动汽车销量将达到1200万至1500万辆，全球锂离子电池容量将是2018年的十倍。据弗若斯特沙利文公司称，亚洲电池制造商具有先发优势，其中一部分原因是中国对电动汽车的需求较高，已经占到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。随着多家公司寻求在性能、效率和质量方面做出改进，解决方案也在不断变化。

  Teledyne FLIR设计、开发、制造、销售和分销通过热成像、可见光成像、视频分析、测量和诊断以及高级威胁检测系统增强感知的技术。

  Teledyne DALSA是设计、制造和部署机器视觉数字成像组件的领导者。Teledyne DALSA的图像传感器、相机、智能相机、TDI、图像采集卡、软件和视觉解决方案是全球多个行业的无数个检测系统的核心。

  不过，风险依然存在。锂离子电池的制造很复杂，特别是在电动汽车应用中，安全性、耐用性和模块化与性能、效率和价格的竞争压力相互竞争。必须生产单体电池，然后组装成包含数百个单体电池的电池模块。就像在任何制作的完整过程中一样，完美是目标，而不是终点。总是存在一些不得不妥协的限制。一旦单体电池出现故障，在大多数情况下要拆开整个模块并拆除故障电池，这使得情况变得更复杂。若未能发现故障电池，则情况更糟：故障电池可能大幅度的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对特斯拉汽车发生的数次起火事故进行了调查，以判断高压锂离子电池是否会给撞车后的急救人员带来安全风险。

  2021年，澳大利亚，也许是最致力于将锂电池引入电网的国家，也面临着电池系统的挑战。2021年，位于维多利亚州的大型电池系统在测试期间发生了火灾。目前，正在对电网故障做出详细的调查，其中基于电池的备用系统未达到预期。原因尚不清楚。

  2022年4月，在五家汽车制造商因可能会引起起火或熄火的缺陷而发布召回令之后，美国安全监督管理的机构对电动车和混合动力汽车电池展开了新一轮的调查。美国国家公路交通安全管理局表示，新一轮调查涵盖超过13.8万辆使用韩国LG Energy Solution公司生产电池的汽车，影响区域涉及通用、奔驰、现代、斯特兰提斯和大众生产的汽车。

  虽然这些案例令人担忧，但并不令人惊讶。目前的化石燃料和内燃机制造安全和品质衡量准则得益于100多年的改进。虽然电动汽车也有很长的历史，但直到20世纪90年代，镍氢（镍金属氢化物）电池被用于电动汽车，且锂离子电池发展成为一种可行的替代品，电动汽车才开始加速量产。

  布鲁塞尔二氧化碳中性工厂进行奥迪e-tron制造：电池单元模块控制器和电缆的最终验收。版权所有奥迪AG

  随着对锂离子电池的应用要求愈加严苛，这就要求我们更好地了解材料和设备的性能、退化和危害。在电力系统中，电池故障会带来多重危险。由于缺乏对标准化设备的长期跟踪记录来了解风险，我们有充分理由在所有单个电池被组装到模块前后加设质量控制测试。虽然可能在不同阶段对每个单体电池和模块电流进行了测试，但这只能提供片面理解。

  最好能在生产的全部过程中早期发现问题，以免荒度时间和资源。早期缺陷检验测试能帮助制造商微调反馈回路，从而调整工艺机械以优化结果。

  正如我们在早期《可能性》文章中看到的那样，在用来制造电极（阴极和阳极）的箔片制造期间进行首次目视检查。箔片及其涂层的质量和一致性对电池的功能和安全至关重要。跟着时间流逝，异物、凸起和不均匀会压穿或磨破隔离膜，因此导致短路并造成灾难性的电池故障。通常，此类检查是在切片或冲压之后进行的，切片或冲压过程可能会引起颗粒物在电极辊压、折叠或堆叠之前沉积在表面上。

  通常，在深灰色的背景上有几个深灰色的缺陷就能决定电池的性能和寿命。根据经验，制造商们认为，缺陷识别的级别最好保持在50微米以下乃至10微米。接触成像通常用于“粗略”的初步审查，但对于进一步的详细检查，公司改用线扫描相机和高灵敏度TDI（时间延迟积分）相机，以提供必要的分辨率和灵敏度。

  更多创新解决方案包括多场TDI相机，它还可以同时捕获三个不同光谱和角度的光，为缺陷检验测试和分析提供更多图像数据，而不会增加成本或减慢系统速度。

  在组装的不同阶段使用别的类型的成像。高速3D激光轮廓仪用于测量更多3D物体的形状，例如：接触片焊接均匀性、极耳变形和方向。焊接不良的接触片可能会断裂或导致间歇性接触损失。区域扫描相机大多数都用在将单体电池封装成更大的电池，这就必须精确控制外壳中数百个电池的方向。

  一旦组装好，电池模块的“黑盒子”性质就会出现一些明显的异常问题，特别是在具有更高密封和保护水平的运输应用中。如果看不到里面，如何检查？这需要超出视觉范围的成像。

  例如，电池创新中心（BIC）专注于安全、可靠和轻型电池的快速开发、测试、验证和商业化，用于商业和防护用途。这些流程包括大量滥用（或破坏性）测试，将电池置于一些最不利情况下，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，电池创新中心使用Teledyne FLIR高速热像仪来揭示其他技术没办法捕获的热细节。

  利用热成像技术，工程师可以很容易地看到电池损坏时外部发生了什么，内部发生了什么，以及热量是如何传播的。

  研究人员还对原位分析使用的不一样X射线衍射进行了研究，这中间还包括X射线，甚至超声成像。借此可对电池的物理结构和材料来分析，从而帮助了解电池工作和退化相关的物理化学反应。CT分析虽然不能揭示电池里面的电化学性质，但可以揭示电池里面的机械工作原理。热失控起火可能有机械原因，但电化学过程会留下机械证据。与任何应用一样，图像质量和时间之间有平衡。

  其中一些能够最终靠快速2D X射线系统完成，但可视化信息有限。通过3D X射线成像，有可能获得电池单元和模块关键方面的完整图像，而延时（4D）断层扫描则有助于揭示电池在使用的过程中的老化过程和变化。

  工业计算机断层扫描（CT）慢慢的变多地应用于检测电池整个生命周期内的缺陷和内部变化。尽管如此，要分辨出感兴趣的结构还是很困难的。由于材料的密度非常接近，而且通常都很薄，结果往往是低对比度的灰度图像。CT数据分析和可视化软件正在增加功能，在人工智能的帮助下，能够得到更全面的信息。

  动态中子射线照相已被证明是不伤害原有设备的检测的另一个好选择，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，锂和电池中的液体电解质极为敏感，中子方法发生不良反应的几率较低。其次，对于氢和锂等轻量元素，中子的高可见性使人们能直接观察电池的关键过程，如锂扩散、电解质消耗和气体形成。研究人员仍在不断地努力，希望中子成像能达到目前CT扫描的时空分辨率，而这种衍射成像技术能帮助我们更好地应对当前及下一代电池化学的挑战。

  为了更深入地分析电池里面的非结构条件，一些研究人员已经转向了电子显微镜，它可以揭示电池里面的电化学反应。与中子成像一样，分辨率仍然是一项挑战，但该领域正在快速地发展。这种成像技术很有可能提高我们对各种可充电离子电池里面纳米级电化学事件的基本认识。

  目前，从研发角度来看，锂离子电池技术似乎已经很成熟，更多的是优化产品和生产。优化正在推动新化学技术的发展，使电池更具成本效益、更加环保。

  例如，钴是锂离子电池中的主要金属之一，因为这种金属能延续电池的寿命并提高单位体积内的包含的能量。但是，钴也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%，但它们仍然占电动汽车总成本的30%左右。随着全球电动汽车销量的迅速增加，预计钴等电池原材料的需求将超过供应量。避开使用钴（甚至锂，两者都引发了严重的环境和人权问题）的解决方案正慢慢的变有吸引力。

  其中一些解决方案更严重依赖镍，这也带来了其他挑战。2020年初，控制着全球四分之一镍供应的印尼提前两年停止了镍出口。但疫情和全球金融形势变化导致镍价下跌，损害了对公司的投资，否则可能已投资提高镍产量，结果是镍产量仅在2022年初飙升。

  商品还是密码货币？伦敦金属交易所交易的镍价格一直在变化，使得制造商很难制定计划。于2022年4月27日访问。数据来自Markets Insider。

  将引入新技术来克服当前锂离子电池的其中一个基本缺点：液体、含氟和高度可燃的电解质。这种成分给电池的处理、储存和潜在的回收提出了严峻的挑战。基于镁等更多丰富材料的新兴储能技术前景广阔。与目前的锂离子电池相比，由镁金属制成的电池可能具有更高的单位体积内的包含的能量、更高的稳定性和更低的成本。另一个有前景的方向是转向固态设计，这种设计更稳定，但在性能上还没有竞争力。

  现在以及在可预见的未来，锂离子电池及其类似物面临的障碍仍将是在一直在优化和全球供应链波动的情况下制造可靠的高质量电池。这可能会影响制造商所追求的设计以及他们用来检验和完善设计的工具。