【掃描電鏡應用】說(shuō)到安全，電動(dòng)自行車(chē)多跟電動(dòng)汽車(chē)學(xué)學(xué)吧！

掃描電鏡是用于樣品微區形貌、結構及成分的觀(guān)察和分析的儀器。電子槍發(fā)射的電子束在掃描電鏡鏡筒中，通過(guò)電磁透鏡聚焦和電場(chǎng)加速，入射到樣品表面，束電子與樣品原子核或核外電子發(fā)生多種相互作用，從而產(chǎn)生各種反映樣品特征的信號。這些信號包括：二次電子、背散射電子、X 射線(xiàn)等。其中，二次電子和背散射電子被相應的探頭接收，即可獲得形貌信息；X 射線(xiàn)被能譜探頭接收并分析，即可獲得成分信息。

這可以有效的應用在鋰電池行業(yè)的清潔度分析中。

01觸目驚心的電動(dòng)自行車(chē)事故，是偶然嗎？

2024 年 2 月 23 日，南京雨花臺區明尚西苑居民樓火災已致 15 人死亡，44 人受傷，初步分析為小區 6 棟建筑地面架空層停放電動(dòng)自行車(chē)處起火引發(fā)。

電動(dòng)自行車(chē)引起的火災并非偶然。根據國家消防救援局的統計，2022 年，全國電動(dòng)自行車(chē)保有量為 3 億多輛且不斷增多，火災風(fēng)險持續上升，全年共接報電動(dòng)自行車(chē)（電動(dòng)助力車(chē)）火災 1.8 萬(wàn)起，比 2021 上升 23.4%，國家消防救援局提示，相關(guān)風(fēng)險應予持續關(guān)注。但到了 2023 年，全國接報的電動(dòng)自行車(chē)火災數量繼續攀升，高達 2.1 萬(wàn)起，相比 2022 年上升 17.4%。同時(shí)，數據顯示，有 80% 的電動(dòng)自行車(chē)火災是在充電時(shí)發(fā)生的，其中超過(guò)一半發(fā)生在夜間充電過(guò)程中。

02電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)，誰(shuí)更安全？

電動(dòng)車(chē)較核心也是較危險的部件是電池，針對電池的安全要求，在 2015 年就推出了針對電動(dòng)汽車(chē)的國家標準《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》，該標準在 2020 年又重新修訂。參與標準制定和修改的企業(yè)包括了寧德時(shí)代、國軒高科、天津力神等鋰電池大廠(chǎng)，也包括比亞迪、北汽、上汽、廣汽、吉利、長(cháng)安、奇瑞、蔚來(lái)等大型車(chē)廠(chǎng)，以及中國汽車(chē)技術(shù)研究中心、中國電子科技集團、工信部裝備發(fā)展中心等?？梢?jiàn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)和國家對電動(dòng)汽車(chē)電池安全的重視程度

針對電動(dòng)自行車(chē)的電池安全，直到 2022 年，才由工信部組織起草強制性國家標準《電動(dòng)自行車(chē)用鋰離子蓄電池安全技術(shù)規范》，目前正處于審查階段，按計劃該國家標準將于 2024 年發(fā)布。

顯然電動(dòng)自行車(chē)行業(yè)對電池安全的重視程度和研發(fā)投入水平，是遠比不上電動(dòng)汽車(chē)的。據市場(chǎng)監管總局消息，2022 年，市場(chǎng)監管總局組織開(kāi)展了電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)電池產(chǎn)品質(zhì)量國家監督抽查，共對 262 家企業(yè)生產(chǎn)的 295 批次產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗，發(fā)現 62 批次產(chǎn)品不合格，抽查不合格率為 21.0%。

圖片來(lái)源：市場(chǎng)監管總局

03.為什么電動(dòng)汽車(chē)更安全？

鋰電池生產(chǎn)是一個(gè)復雜的過(guò)程，從原材料、電信、模組、Pack 到最終的電池系統。鋰電池的生產(chǎn)過(guò)程主要可以分為以下幾個(gè)步驟：

01.正極材料的制備

通常使用的正極材料包括鋰鐵磷 (LiFePO)、鋰鎳鈷錳氧化物 (NCM)、鋰鈷氧化物 (LiCoO) 等。這一步涉及到的工藝包括混合原料、煅燒等，目的是制備出高性能的正極材料。

02.負極材料的制備

常見(jiàn)的負極材料有石墨、硅基材料等。制備過(guò)程可能包括球磨、熱處理等步驟，以得到具有優(yōu)良電化學(xué)性能的負極材料。

03.電解質(zhì)的配制

電解質(zhì)是鋰離子在正極和負極之間移動(dòng)的媒介，通常是由鋰鹽溶解在有機溶劑中形成的。這一步驟需要精確控制電解質(zhì)的配比和純度。

04.隔膜的準備

隔膜是電池內部用來(lái)隔開(kāi)正負極材料、同時(shí)允許鋰離子通過(guò)的薄膜。隔膜的材料、孔隙率和厚度都會(huì )影響到電池的性能。

05.電極片的制作

將制備好的正極材料、負極材料分別涂布在金屬集流體上（正極通常使用鋁箔，負極使用銅箔），然后進(jìn)行干燥和壓實(shí)，制成電極片。

06.電池組裝

在干凈的環(huán)境中，將正極片、負極片和隔膜按照一定順序疊加，并注入電解質(zhì)，最后封裝成電池。這一步驟可能包括堆疊、卷繞或折疊等不同的技術(shù)路線(xiàn)，具體取決于電池的設計。

07.封裝

電池組裝好后，需要在無(wú)塵環(huán)境下將電池芯體放入外殼中，并進(jìn)行封口，確保電池的密封性和安全性。

08.化成和老化

新制造的電池需要通過(guò)充放電循環(huán)的方式來(lái)激活，這一過(guò)程稱(chēng)為化成?；珊蟮碾姵剡€需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的老化測試，以確保其性能穩定。

09.測試和分選

完成上述所有步驟后，每個(gè)電池都需要經(jīng)過(guò)一系列的性能測試，包括容量、內阻、循環(huán)壽命等。根據測試結果，電池將被分選和分類(lèi)，以滿(mǎn)足不同應用的需求。

這個(gè)過(guò)程中，每一個(gè)步驟都對電池的最終性能有重要影響，因此需要精確控制和高標準的質(zhì)量管理。

同時(shí)，影響電池安全的因素也有很多，包括：熱穩定性、金屬異物、負極析鋰、隔膜瑕疵、設計 / 制造缺陷、極片變形 / 微短路等。

以金屬異物為例

鋰電池在生產(chǎn)過(guò)程中，金屬異物的混入是一個(gè)嚴重的質(zhì)量安全隱患，因為金屬異物可以導致電池短路，甚至引發(fā)熱失控和火災。為了確保電池安全，針對金屬異物的檢測是非常重要的。目前，各大動(dòng)力電池廠(chǎng)家都進(jìn)行了深入的研究。具體檢測方法包括：

a) 全自動(dòng)光鏡統計法

金屬表面的物理特性決定了光線(xiàn)不能進(jìn)入金屬物質(zhì)，它會(huì )像鏡子般把所有入射光全部反射出去。入射光在經(jīng)由金屬表面反射后，其反射光與入射光具有相同的振動(dòng)方向。如果反射光通過(guò)兩片平行的偏振片，金屬顆粒呈現亮色；如果反射光通過(guò)兩片垂直的偏振片，金屬顆粒呈現純黑色。

入射光在經(jīng)過(guò)非金屬物質(zhì)后，其振動(dòng)方向會(huì )發(fā)生改變（主要原因是光可以射入非金屬物質(zhì)內部），經(jīng)過(guò)非金屬物質(zhì)內部后再出來(lái)的反射光不再具有偏振性，其方向也會(huì )發(fā)生改變。反射光通過(guò)平行和垂直的偏振片時(shí)，其亮度變化不大。

通過(guò)記錄、對比顆粒在不同偏振光下的圖片，而后鑒別出金屬和非金屬顆粒。

并非所有金屬顆粒都具有相同的危害性，例如，在對大量失效電池進(jìn)行拆解分析后發(fā)現，相對于不銹鋼，銅的危害性更高。主要是因為銅離子更容易在負極析出，析出后的生長(cháng)方式呈現枝晶狀，很容易刺穿隔膜。并且，銅的電導率比鐵高了一個(gè)數量級，一旦銅枝晶刺穿隔膜，極易導致電池內部短路，進(jìn)一步導致電池過(guò)熱甚至起火。為了有效評估金屬顆粒的危害性，需要知道顆粒的詳細成分，而光學(xué)顯微鏡只能區分金屬和非金屬，但具體是哪類(lèi)金屬則無(wú)從得知。這就需要借助電子顯微鏡。

b) 全自動(dòng)電鏡統計法

飛納 ParticleX Battery 基于掃描電鏡+能譜法專(zhuān)業(yè)用于鋰電清潔度分析，采用 CeB6單晶體燈絲，測試壽命超過(guò) 2000 小時(shí)，可連續隔夜分析，無(wú)需頻繁更換燈絲。大樣品倉室，可視面積為 100×100 mm，可放置 4 片直徑 47mm 的圓形濾膜，樣品測試自動(dòng)切換，生產(chǎn)工程師可以輕松實(shí)現實(shí)時(shí)監控生產(chǎn)車(chē)間的質(zhì)量控制。

特殊顆粒詳細信息展示：

異物顆粒分類(lèi)統計：

ParticleX Battery

如果您對全自動(dòng)鋰電清潔度分析感興趣，歡迎詳聊。

光鏡法和電鏡法作為一種可視化的方法，只能觀(guān)察材料表面，對于材料內部的特征，則需要借助顯微CT。

c) 顯微 CT 法

顯微計算機斷層掃描（Micro-CT）是一種非破壞性檢測技術(shù)，能夠提供物體內部的三維圖像。在鋰電池領(lǐng)域，顯微 CT 可以用來(lái)檢測和分析電池內部結構，包括檢測內部的金屬異物。這種方法對于理解電池的內部機理、評估電池的質(zhì)量以及提高電池的安全性具有重要價(jià)值。

04.要怎么做

01.國家

多年來(lái)，我國缺少電動(dòng)自行車(chē)鋰電池強制性國家標準，鋰電池質(zhì)量參差不齊，導致安全事故頻發(fā)。為從源頭防范事故發(fā)生，提高和完善電池安全標準刻不容緩。

2022 年由工業(yè)和信息化部組織起草的強制性國家標準《電動(dòng)自行車(chē)用鋰離子蓄電池安全技術(shù)規范》已經(jīng)完成了起草和征求意見(jiàn)階段，目前正處于審查階段。希望這項強制性國家標準盡快發(fā)布實(shí)施，并嚴格執行。

02.企業(yè)

希望給電動(dòng)自行車(chē)提供鋰電池的廠(chǎng)家能夠參考電動(dòng)汽車(chē)鋰電池生產(chǎn)安全規范，借鑒同行業(yè)更先進(jìn)的檢測方法和檢測標準。提升產(chǎn)品的安全性，降低產(chǎn)品不良品率。

03.個(gè)人

提升安全意識，做到以下幾點(diǎn)：