機器視覺如何賦能鋰離子電池的未來

以典型的電動汽車特斯拉Model S車型為例，其使用了超過7600節(jié)鋰離子電池。在不久的將來，這種使用大量電池的情況不會被視作典型，而是會被認為很奇怪。

在未來幾十年，要過渡到綠色能源就必須相應地增加電池的產(chǎn)量并提高其創(chuàng)新性。鋰離子電池將在不遠的將來成為綠色能源革命的主力軍，為幾乎所有東西儲存能量，涵蓋從電動汽車到飛機，再到家庭和商業(yè)建筑。

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

全世界的電池產(chǎn)量正在快速攀升。特斯拉于2015年在內(nèi)華達州的斯帕克斯建成了其第一家“超級工廠”，用于生產(chǎn)蓄電池。特斯拉的另一家“超級工廠”位于紐約州的布法羅市，于2017年投入運營，主要生產(chǎn)太陽能電池。該公司計劃在未來幾年在德國柏林和美國德克薩斯州首府奧斯汀再開設兩家工廠。歐洲電池公司Northvolt也計劃于2021年在瑞士的Skellefte?開始大規(guī)模建造一個超級工廠。

向綠色能源過渡為全球經(jīng)濟的新行業(yè)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，制造業(yè)將從中受益，并且隨著新技術的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)將得到發(fā)展，為制造業(yè)的高速增長和高生產(chǎn)力提供支持。鋰離子電池目前正處于生態(tài)和經(jīng)濟革命的前沿。

鋰離子電池是如何制造的

雖然鋰離子電池的重要性不言而喻，但從概念上而言，鋰電池的結構非常簡單。結構上，鋰離子電池的陰極（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(tài)或固態(tài)電解液，以促進陰極片和陽極片之間的能量轉(zhuǎn)移。

鋰離子電池的結構。與金屬電池相比，鋰離子電池在運行和充電過程中更加穩(wěn)定。鋰離子電池的能量密度通常是鎳鎘電池的兩倍，但其往往比其他電池更重。

陰極片通常由鋁箔制成，而陽極片則通常由銅箔制成。每一片均涂以特定材料，以提高導電性、效率和粘合力。

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。陽極片則通常涂有某種碳材料，如石墨或鈦酸鋰。

粘合劑：用于將混合物粘附在箔材上。

溶劑：促進漿料中材料的混合，使混合物能夠涂附在電極片上。

此外，陰極還含有導電劑，以降低電池內(nèi)阻并提高導電性。

電極之間的隔膜由多孔聚烯烴薄膜材料制成，該材料涂有芳香族聚酰胺涂層，然后切割成一定尺寸。當電極片疊放完成后，電極片將采用以下三種主要形式之一（圓柱形、袋狀或方形）放入電池殼中。根據(jù)電池的形狀和特性，電池殼將包括外部正極和負極端子（以與被供電設備連接）、外殼與電極堆之間的絕緣層、墊圈、排氣孔和其他元件。

圓柱形電池是首個批量生產(chǎn)的鋰電池類型之一，它由陽極片、隔膜和陰極片按順序堆疊并卷繞而成。圓柱形電池非常適合自動化生產(chǎn)，其形狀使得電池能夠承受更高水平的內(nèi)部壓力而不變形。圓柱形電池通常用于醫(yī)療器械、筆記本電腦、電動自行車和電動工具中，并且是特斯拉汽車龐大電池組中的一個組成部分。

使用相機實現(xiàn)鋰離子電池的質(zhì)量保證

盡管從概念上而言，鋰離子電池的制造很簡單，其由有涂層的電極疊片和電解質(zhì)溶劑組成，但實際生產(chǎn)過程相當復雜且敏感。電極的涂層厚度對電池的性能甚至穩(wěn)定性都有著很大的影響。

采用機器學習算法的線掃描相機可有助于在鋰離子電池制造的質(zhì)量保證階段實現(xiàn)自動化和優(yōu)化。以Teledyne DALSA的Linea系列相機為例，此款線掃描相機可以安裝在工廠生產(chǎn)線上，可在制造過程中自由移動，從而監(jiān)控材料的生產(chǎn)。線掃描相機非常適合用于檢查電極片，這是因為電極片從卷繞到涂層再到堆疊的過程均以高速運行。

檢測相機的激光輪廓儀可覆蓋鋰離子電池的整個制造過程。這些相機可以測量電極片和涂層的厚度，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，并監(jiān)控電池外部端子的焊接質(zhì)量。

鋰離子電池的發(fā)展?jié)摿?/strong>

電動汽車銷量與內(nèi)燃機車銷量的比例通?？梢灶A測鋰離子電池增長率的分界線。預計到2025年，電動汽車將占汽車銷量的10%，之后在2030年和2040年，這一比例將分別提高到28%和58%。例如，加利福尼亞州，作為美國人口最多的州，也是世界上最大的經(jīng)濟體之一，其目標是到2035年，在該州銷售的所有新車和載客車均實現(xiàn)零排放。

由于蓄電池儲能通常與可再生能源成對出現(xiàn)，其中一種能源的增長直接預示著另一種能源的采用。根據(jù)美國能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)，2021年美國70%的新能源產(chǎn)能將來自可再生能源（其中39%來自太陽能，31%來自風能）。因此，該年的蓄電池存儲容量也將上升，比往年增長四倍。世界上最大的太陽能電池將于2021年底在佛羅里達州投入使用。

電池制造商們需要做好準備，應對未來對鋰離子電池的需求。線掃描相機、激光輪廓儀和機器學習的使用將幫助電池制造商們優(yōu)化質(zhì)量保證流程并提高效率。