Multi-Skala-Multi-Modul-Anwendungslösungen für die Lithiumbatterieindustrie (Optoelektronische Kombination):

Synergische Ermöglichung von ZEISS-Spiegeln, Elektroskopen und Röntgenmikroskopen

Einführung: Die „Herausforderung der Skala“ in der Entwicklung und Produktion von Lithiumbatterien

Lithiumbatterien als Kerntrager der neuen Energieindustrie, deren Leistungssteigerung (z. B. Energiedichte)> 300Wh/kgSicherheitssicherung (z.B. Thermal Loss Suppression) und Lebensdaueroptimierung (z.B. Zyklus)>50002) stark abhängig von der genauen Erkenntnis der Mikrostruktur des Materials, Komponenten Mängel und Alterungsmechanismen. Die Fehleranalyse oder Leistungsoptimierung von Lithiumbatterien steht jedoch typisch vor“Mehrskala-Probleme”——Von makroskopischen Batteriemodul-Verpackungsfehlern (in Millimetergraden) bis hin zur Elektrode/Die Mikrostruktur der Membran (Mikron-Ebene), dann die Schnittstelle der aktiven Partikel und die Kristallgrenze (Nano-Ebene), eine einzige Charakterisierungstechnik ist schwierig, die gesamte Kette Bedürfnisse zu decken.

ZEISS verfügt über Kompetenzen im Bereich der optischen Mikroskopie (Optische Spiegel), Elektronenmikroskopie (Elektroskope) undXStrahlenmikroskop (XRMTechnologie-Akkumulation auf dem Gebiet, die Einführung der Multi-Modul-Integrationslösung "Optoelektronik" durch die schnelle Positionierung des Spiegels,XRMDie zerstörungsfreie 3D-Strukturanalyse, die hochauflösende Analyse im Nanoskop und die Skalenübergreifende Synergie zwischen den drei ermöglichen eine "Fehlererkennung".”Die gesamte Prozessabdeckung bis hin zur „mechanischen Rückverfolgung“ bietet entscheidende technische Unterstützung für die Forschung, Entwicklung, Produktion und Servicebewertung von Lithiumbatterien.

ZEISS Branchenlösungen

1. Optische Spiegel: das "erste Screening-Netz" von Makro-Mängeln

In der Produktion von Lithiumbatterien sind makroskopische Mängel (z. B. polare Spuren, Gehäuseschichten, Fremdstoffverschmutzung) eine direkte Ursache für Kurzschlüsse und Wärmeverluste, die schnell erkannt und abgefangen werden müssen. Zeiss optische Mikroskope (z.B.Das Axio Zoom. V16Digitale Mikroskope,Axio BildgerätSerie) zuHohe Auflösung (optische Flächenauflösung)0,7 μmGroßer Sichtfeld (maximaler Sichtfelddurchmesser)≥23mmFlexible Beleuchtung (Licht)/Dunkel/polarisiertes Licht)Als Hauptvorteil der Qualitätskontrolle der Produktionslinie“Augen.”.

Das Axio Zoom. V16Digitale Mikroskope

Typische Anwendungsszenarien:

Detektion von Mängeln bei der Herstellung von PolarplattenFür den Formschneid-/Laserschneidprozess von positiven und negativen Polarplatten scannt das Spiegel die Polarplattenrande schnell und erkennt automatisch die Größe (Länge/Breite/Winkel) der Polarplatte mit einer Genauigkeit von bis zu Mikrometern durch ein hochkontrastisches Bildgebung (z. B. durch den dunklen Feldmodus, der den Reflexionsunterschied zwischen den Polarplatten und dem Substrat erhöht). Zum Beispiel erfordert eine betriebene Lithiumbatterie eine polare Spurlänge von ≤ 50% der Membranndicke (die herkömmliche Membranndicke ist 12-16 μm, die entsprechende Spurlänge ist < 6-8 μm), und das Glas in Kombination mit der Bildanalyse-Software kann die Spurlängenverteilung in Mengen statistisch ermitteln, um künstliche Leckage zu vermeiden.

Qualitätssicherung von Verpackungskomponenten: Für die Aluminium-Plastik-Folie-Verpackung der Weichverpackungsbatterie und die aufgewickelte Verpackung der Zylinderbatterie kann das Glas die Blasen, Schichten (z. B. Aluminium-Plastik-Folie) am Rande der Verpackung erkennenPPSchicht und Aluminiumfolieschicht Entklebung), polare Falten und andere Probleme. Durch die polarisierte Lichtbeleuchtung können die Schnittstellen verschiedener Materialien (z. B. Brechungsdifferenzen zwischen Aluminiumfolie und Polymerfilm) deutlich unterschieden und die Verpackungsprozessparameter (z. B. Wärmedichtungstemperatur) optimiert werden./Druck).

Fremdkörper und Verschmutzung: Bei der Polarbeschichtung oder der Zellenmontage kann die Optik schnell Metallpartikel (wie Eisenschläge), Staub und andere Fremdobjekte lokalisieren, in Kombination mit der Farbbildung, um die Fehlerposition aufzuzeichnen, um das nachfolgende Elektroskop oderXRMDie Fixed-Point-Analyse bietet Navigation.

Anomalie-Analyse der Polaritzung

Röntgenmikroskop (XRM): ein "perspektivisches Auge" für schädigungsfreie dreidimensionale Strukturen

Nach der Positionierung von Makro-Fehlern müssen die Mikrostrukturen im Inneren der Batterie weiter analysiert werden (z. B. Elektrodenporosität, Membranlaufverteilung, Partikelgebrochener Zustand), während die herkömmliche Schnittprobe den ursprünglichen Zustand zerstört und die realen Arbeitsbedingungen schwer widerspiegelt. ZeissXRM(wieXradia Versa 520/630Serie) zuVerlustfrei, hohe Auflösung (Submikrometer bis50 nmMultiskale kontinuierliche BildgebungDie Analyse der internen Struktur von Lithiumbatterien“Kernwerkzeuge”.

Xradia 630 VersaSerie

Kernwerte und typische Anwendungen:

Zerstörungsfreie Prüfung von verpackten Batterien3D-Abbildung der fertigen Batterie (einschließlich der Weichhülle, Zylinder und Gehäuse) ohne Demontage, um die internen tiefbegraben Mängel direkt zu erkennen, wie z. B. Mikrorisse an der positiven Polarwirkung in der Wickelzelle (die zu einer Blockierung der Lithium-Ionen-Übertragung führen können), Metallverschmutzungen in der Membran (z. B. verbleibende Schneideisen), Schichtung zwischen den Polaren und dem Sammelfluid (die Elektronleitung beeinflusst). Die Durchdringtiefe auf Millimeterstufe des XRM (üblich 1-10 mm) und die Auflösung auf Mikrometerstufe (bis zu 0,5 μm) ermöglichen eine Balance zwischen „Gesamtbeobachtung“ und „Detailerfassung“.

Elektrode/Quantitative Strukturanalyse von MembranenDurch dreidimensionale Rekonstruktion kann das positive Material berechnet werden (z.B.NCMvon Trilithium)Porositätsverteilung(Vertikal entlang/Parallel-Polar-Richtungsunterschiede), Negative-Polar-GraphitpartikelBrechungsgrad(Rissdichte der Partikelkante nach dem Zyklus) sowie der MembranPorosität und Biegung(beeinflusst die Effizienz der Lithium-Ionen-Übertragung). Zum Beispiel haben Studien gezeigt, dass die Membranporosität niedriger als30%oder wenn die Kurve zu hoch ist, erhöht sich der Batteriewiderstand deutlich,XRMDiese Parameter können direkt quantifiziert werden und zur Auswahl der Membran oder zur Optimierung des Beschichtungsprozesses geführt werden.

Dynamische Verfolgung des AlterungsmechanismusBeschädigung der Batterie vor und nach dem Zyklus3DKontrastbildgebung zur Beobachtung der Elektrodenoberfläche nach dem ZyklusRiss Erweiterung(wie das progressive Zerbrechen von Graphennegativen Randen), die Zerpulverierung von Partikeln (die den Abfall von Wirkstoffen verursacht) und die räumliche Verteilung der Ablagerung von Lithiummetall (Kristallwachstum). Kombinieren vor OrtXRMTechnologien wie z.B. ZEISSXradia 520 VersaSpannungsanalysemodul), kann auch die Volumenänderungen der Elektrodenmaterialien während des Ladungs- und Entladungsprozesses untersuchen (z.>300%Strukturzusammenbruch verursacht).

3. Elektronenmikroskop (Elektroskop): ein "Vergrößerungsglas" des Nanomachineismus

Wenn eine Analyse erforderlich ist“Warum entstehen Mängel?”oder“Wesen des Interface-Fehlers”Sie müssen auf der nano- oder sogar atomischen Ebene eintreten.——zum Beispiel die Kristallstruktur der aktiven Partikel,SEIZusammensetzung der Membran (Feste Elektrolytgrenzflächenmaske), Ablagerungsform des Metalllithiums. ZEISS Elektroskope (z.B. Feld-Emissions-Scanner)SEMDoppeltes ElektroskopKreuzstrahlSerie, TransmittionselektroskopeTEMKompatibilitätsprogramm)Hochauflösung (≤0,5 nmMultifunktionale Komponentenanalyse (EDS/EBSDEmpfindliche ProbenschutztechnologieZum Vorteil ist es ein "Werkzeug" für die mikromechanische Forschung.

ZeissSigmaSerie von Feld-Emissions-Elektronenmikroskopen

Schlüsseltechnologische Durchbrüche und Anwendungen:

Hochauflösende Charakterisierung von Partikeln und SchnittstellenFür positive Materialien (z. B. hoch nickelte)NCM811oder Negativodenmaterialien (z. B. Silizium-Kohlenstoff-Verbundnegativoden), Feld-EmissionSEMBildgebung im Nanoskala (z.B.NCMIntegrität der Sekundärkugel-Struktur der Partikel, Spuren der Volumenausdehnung der Silizium-Partikel), KombinationEDSDie Spektroanalyse kann die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Elemente erkennen (z. B. die proportionale Polarisierung von Nickel, Kobalt und Mangan kann zu einer Abnahme der lokalen thermischen Stabilität führen). DoppelstrahlglasKreuzstrahlSerie mehr durchgängigFIB(Fokussierter Ionenstrahl) präzises Schneiden bestimmter Bereiche, um Kristallgrenzen oder Schnittstellenfehler im Inneren des Partikels (z. B. Nebenproduktschichten, die durch die Reaktion einer Positive mit einem Elektrolyten entstehen) zu belichten.

Schädigungsfreie Vorbereitung empfindlicher ProbenFür Proben mit Lithiummetallnegativen oder magnetischen Komponenten (z.B.LiFePO4Positiv), ZEISS ElektroskopeNiederspannungsbildgebung (≤5kV）Reduzieren Sie Elektronenstrahlschäden und bewahren Sie die ursprüngliche Struktur der Probe in Kombination mit einer gefrierten Probentesch (um Lithium-Metalloxidation zu vermeiden) oder einer Ionenstrahlpoliertechnologie. Zum Beispiel bei der Untersuchung des Wachstums von LithiumkristallenSEMDie dreidimensionale Form des Zweigs kann klar beobachtet werden (z. B. Dichte und Länge des Zweigs), kombiniert mitEDSAnalyse der Elektrolyt-Zersetzungsprodukte der kristallinen Oberfläche (z.B.LiFundLi2CO3).

Skalenübergreifende Zusammenhänge der Mängelursachen: WennXRMNachdem das Elektroskop einen tief begraben Riss oder Mängelbereich im Inneren der Batterie lokalisiert hat, kann es durchFIBSchneiden Sie den Querschnitt des ausgestellten Bereiches, mitSEMBeobachten Sie die Richtung des Risses (z. B. ob es sich entlang der Kristallgrenze ausdehnt) oder die Form des Partikelbruchs (z. B. der Randbruch der Graphennegative), dann passieren SieEDSAnalyse von Elementen um Risse (wie Übergangsmetallionen, die von der Positive gelöst und auf der Negativen Oberfläche abgelegt werden, beschleunigt)SEIMembran vergrößert). Diese „Makro-→Mikroskopie→Die schrittweise Vertiefung der Nano-Methode löst die Einschränkungen der traditionellen Methode "nur Bäume ohne Wälder".

4. Optoelektronische Vernetzung: "Full-Link-Lösung" für Skalenübergreifende Synergie

Der Vorteil von ZEISS besteht darin, dass der SpiegelXRMTiefe Fusion der drei technischen Module des Elektroskops zur Bildung der "Fehlererkennung"→Strukturanalyse→Mechanische Rückverfolgung des geschlossenen Kreislaufs:

Typische Workflowbeispiele:

1. Makropositionierung: Produktionslinie optisches Mikroskop schnelle Screening-Polar-Spur (wie eine bestimmte Charge Batterie Polar-Spur Rand Spur Länge überschritten), markieren Sie die Problemzelle;

2. Verlustfreie Strukturanalyse：XRMFür diese Batterie3DBildgebung, die Präsenz einer Membranperchung in der Nähe des Sprouts (Tiefe ca.20 μmund einen kleinen Riss an der positiven Polwende beobachtet (Länge ca.50 μm）；

3. Nanomechanismusforschung: DurchgeführtFIBinXRMPositionierung der fehlerhaften Bereiche schneiden Folien, mitSEMBeobachten Sie die Elektrolyte-Rückstände im Inneren des Risses (z. B. Carbonat-ähnliche Abbauprodukte), verbindenEDSDie Analyse ergab, dass sich Nickelionen (von der Positive) an den Rissranden anreicherten, was bestätigte, dass die Spuren nach dem Durchbrechen der Membran einen lokalen Kurzschluss auslösten, der zum Abbau des Wirkstoffs führte.

Darüber hinaus kann in der Forschung und Entwicklung auch die optische Verbindung verwendet werden.Materialoptimierungsprüfung——Beispielsweise zur Beurteilung der hemmenden Wirkung neuer Bindemittel auf die Reunion von Elektrodenpartikeln (optische Beobachtung der Polargleichmäßigkeit)→XRMQuantifizierung der Porosität→Elektroskopische Analyse des Zustands der Partikelgrenzflächenbindung) oder Untersuchung der Grenzflächenkompatibilität von Festkörperelektrolyten und Elektroden (XRMBeobachten Sie Schnittstellenporen→Elektroskopische Analyse der Elementdiffusion).

ZEISS Optoelektronische Verbindungslösungen

Schlussfolgerung: Multiskala-Synergie treibt die Lithiumbatterie-Industrie auf

Durchbruch der Leistung von Lithiumbatterien ist in die Phase der "Nanoskala-Feinsteuerung" eingetreten, und die Einschränkungen einer einzigen Technologie werden zunehmend hervorgehoben. ZEISS Optoelektronische Verbindungslösungen mit mehreren Modulen“Breit und schnell.”undXRMder“Tief und durchsichtig.”Die Elektroskopel.“Fein und tief.”Die nahtlose Verbindung zwischen den drei löst nicht nur die traditionelle“Skala-Bruch”“Isolierung der Informationen”Schmerzen, die von“Erfahrung Fehler”zu“Datentreiber”Transformation des Forschungs- und Entwicklungsmodells. Da die Anforderungen an Sicherheit und Energiedichte in der neuen Energiebranche weiter steigen, werden die multiskaligen integrierten Lösungen von ZEISS die technologische Grundlage für Lithiumbatterie-Innovationen sein, um die globale Energiewende auf neue Höhen zu bringen.