鋰電池極片面密度測(cè)量技術(shù)“新風(fēng)暴”

摘要

曼恩斯特發(fā)布空氣耦合超聲波面密度測(cè)量儀，通過自研多層彈性介質(zhì)中傳播投射衰減算法技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以空氣為傳播介質(zhì)的新型無損檢測(cè)，填補(bǔ)了國內(nèi)的技術(shù)空白。

2023年，中國新能源汽車市場(chǎng)出現(xiàn)兩大市場(chǎng)變化。

一方面，中國新能源汽車市場(chǎng)滲透率已連續(xù)4個(gè)月超過30%，1-8月新能源汽車市占率達(dá)到29.5%，斷層式引領(lǐng)全球汽車電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。

另一方面，由于前兩年爆發(fā)式快速增長，2023年中國新能源汽車市場(chǎng)增速開始放緩，動(dòng)力電池及產(chǎn)業(yè)鏈整體呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)性過剩狀態(tài)，儲(chǔ)能市場(chǎng)開始接棒成為鋰電池需求高增速應(yīng)用場(chǎng)景。與此同時(shí)，中國鋰電產(chǎn)業(yè)鏈加速走向海外，開拓更廣闊的市場(chǎng)。

在此背景下，鋰電企業(yè)展開的新一輪競(jìng)爭(zhēng)，也更聚焦在產(chǎn)品性能（安全性、能量密度、快充等）的提升以及降低成本（提升制造效率、供應(yīng)鏈管控）的思路上。

作為鋰電池性能提升、增益降本的支撐后盾，鋰電智能裝備企業(yè)在技術(shù)、工藝創(chuàng)新的道路上也在持續(xù)進(jìn)化。

電池制造的每個(gè)工序步驟都涉及許多工藝和性能變量，其中，電芯性能好壞60%-80%取決于涂布后極片性能好壞，而在鋰電池極片的生產(chǎn)過程中，通常會(huì)因?yàn)闃O片涂覆面密度不均勻、厚度一致性差、極片邊緣輪廓異常等嚴(yán)重影響鋰電池的整體性能。

因此在生產(chǎn)過程中必須對(duì)極片質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，這意味著鋰電池極片測(cè)量設(shè)備在鋰電池生產(chǎn)過程中尤為重要。

高工鋰電注意到，國產(chǎn)涂布模頭龍頭企業(yè)曼恩斯特近期重磅推出了“超聲波面密度測(cè)量儀”產(chǎn)品，作為國內(nèi)首套采用空氣耦合技術(shù)的超聲波面密度測(cè)量儀產(chǎn)品，具備高安全、高精度、干濕膜檢測(cè)、多種物質(zhì)檢測(cè)、與制膜或涂布面密度的全自動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)深度融合等五大優(yōu)勢(shì)。

極片面密度測(cè)量技術(shù)“新風(fēng)暴”

極片涂布是影響電池安全、性能、制造成本的核心工藝之一，在生產(chǎn)過程中，涂層面密度作為電池設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，因此，正負(fù)極片面密度檢測(cè)成為極片涂布質(zhì)量的重要衡量。

目前在涂布領(lǐng)域中市面上存在的在線非接觸式厚度面密度測(cè)量產(chǎn)品有：紅外測(cè)厚、射線測(cè)厚、激光測(cè)厚、渦流測(cè)厚、超聲波測(cè)厚等。

從應(yīng)用痛點(diǎn)來看，紅外測(cè)厚很難對(duì)不透明的材料實(shí)施測(cè)量；射線測(cè)厚有輻射，需要到環(huán)保部門備案；激光測(cè)厚主要測(cè)的是厚度，不檢測(cè)面密度；渦流測(cè)厚不穩(wěn)定，容易受到外部環(huán)境的干擾等。

為解決鋰電極片面密度所存在的問題，曼恩斯特自主研發(fā)出空氣耦合超聲波面密度測(cè)量儀，成為國內(nèi)首家成功研發(fā)此類產(chǎn)品的公司。

對(duì)比設(shè)備參數(shù)指標(biāo)來看，傳統(tǒng)x/β射線測(cè)厚產(chǎn)品測(cè)量范圍約在10-1000 g/㎡，掃描速度約在0到24m/min，重復(fù)測(cè)量精度在±0.05%，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間<1ms，相關(guān)性R2>99%，并且存在輻射損害。

曼恩斯特超聲波測(cè)厚產(chǎn)品測(cè)量范圍達(dá)到0-4000 g/㎡，掃描速度可達(dá)0-25m/min，重復(fù)測(cè)量精度達(dá)0.039%，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間約600-700hz，相關(guān)性R2≥99.5%，且無輻射損害。

超聲波一般指高于20000Hz以上頻段的彈性振動(dòng)，超聲波檢測(cè)是指利用超聲波與檢測(cè)件的相互作用，對(duì)反射、透射和散射的回波進(jìn)行分析，從而對(duì)工件進(jìn)行宏觀缺陷、幾何特性、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等方面的檢測(cè)和表征的無損檢測(cè)技術(shù)。

超聲波面密度測(cè)量的原理是，當(dāng)聲波穿透介質(zhì)時(shí)，一部分聲波會(huì)被介質(zhì)吸收，導(dǎo)致穿透后的聲波比入射聲波在強(qiáng)度上有衰減，衰減的比例與介質(zhì)面密度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。也就是說，通過檢測(cè)穿透的聲波強(qiáng)度的衰減，可以推算介質(zhì)的面密度。

超聲波極片檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于：

一是，由于測(cè)量原理不同，超聲波測(cè)厚可以直接測(cè)得鋰電極片的凈涂量。而傳統(tǒng)的射線透射法測(cè)量，需要使用總重扣減的方式獲得凈涂量。

二是，缺陷定位準(zhǔn)確，超聲波的聲束在介質(zhì)中沿直線傳播，具有良好的指向性，更容易確定缺陷的位置，檢測(cè)靈敏度高。

三是，由于波長較短，超聲波具有較強(qiáng)穿透力，適用的材料范圍廣，尤其是當(dāng)前鋰電新材料涌現(xiàn)，超聲波面密度測(cè)量儀對(duì)檢測(cè)物基本無局限性。

四是，在連續(xù)涂布、間歇涂布、多幅涂布以及極片基材區(qū)、涂敷區(qū)、左右削薄區(qū)計(jì)算面密度，均可使用超聲波面密度測(cè)量儀。

五是，高安全、無輻射，無需進(jìn)行環(huán)評(píng)審核。

需要指出的是，作為全球領(lǐng)先的無損檢測(cè)技術(shù)之一，超聲波檢測(cè)技術(shù)在極片檢測(cè)應(yīng)用中也存在較高的技術(shù)門檻，如：

1、超聲波在空氣中傳播衰減嚴(yán)重，通常需要在超聲探頭與被測(cè)物之間添加液體、固體耦合介質(zhì)形成更好的傳播，而添加耦合劑有可能會(huì)對(duì)涂層造成污染或損害。

2、超聲波的本質(zhì)是介質(zhì)粒子的機(jī)械振動(dòng)以波的形式進(jìn)行傳播，容易受到外界干擾，采集的信號(hào)不穩(wěn)定。

3、超聲波信號(hào)在采集和傳輸過程中，衰減大、信噪比降低，從而影響目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)與識(shí)別性能。

4、由于介質(zhì)粒子本身的熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)就是溫度，熱運(yùn)動(dòng)會(huì)影響介質(zhì)粒子之間的相互作用力，因此，環(huán)境溫濕度也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果存在影響等等。

正是因?yàn)槔щy重重，此前國內(nèi)鋰電領(lǐng)域尚未出現(xiàn)超聲波面密度測(cè)量儀商業(yè)化產(chǎn)品。

曼恩斯特發(fā)布的國內(nèi)首套自主研發(fā)的空氣耦合超聲波面密度測(cè)量儀，通過自研多層彈性介質(zhì)中傳播投射衰減算法技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以空氣為傳播介質(zhì)的新型無損檢測(cè)，填補(bǔ)了國內(nèi)的技術(shù)空白。

空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)是一種以空氣作為耦合介質(zhì)的新型非接觸的超聲無損檢測(cè)方法。發(fā)布鋰電行業(yè)第一款空氣耦合超聲波面密度測(cè)量儀，也意味著曼恩斯特將開啟鋰電極片面密度測(cè)厚領(lǐng)域新的技術(shù)風(fēng)暴引領(lǐng)。

曼恩斯特超聲波面密度測(cè)量儀優(yōu)勢(shì)

目前，曼恩斯特已研發(fā)出走線式C型架超聲波面密度測(cè)量儀，O型架超聲波面密度測(cè)量儀等兩款產(chǎn)品。

具體來看，曼恩斯特超聲波面密度測(cè)量儀擁有五大優(yōu)勢(shì)，并解決了目前超聲波檢測(cè)技術(shù)在極片檢測(cè)應(yīng)用中存在的瓶頸難題。

◆ 高安全性：超聲換能器體積小，功耗低，無污染，超聲波無輻射，無需耦合劑，無需做環(huán)評(píng)。

針對(duì)超聲波在空氣中傳播衰減難題，曼恩斯特主要采用高精度探測(cè)器接收傳感器電壓，精度達(dá)到萬分位甚至十萬分位，并且對(duì)接收到的非常小的電壓信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)增益放大，同時(shí)保證信號(hào)的全頻率段全量程的線性化不失真。由此也完全解決了需要添加耦合劑進(jìn)行傳播的傳統(tǒng)難題。

針對(duì)超聲波信號(hào)在采集和傳輸過程中信噪比降低痛點(diǎn)，曼恩斯特采用非局部均值濾波(Non-Local Means,NLM)算法，達(dá)到良好的濾波效果，實(shí)現(xiàn)全波段內(nèi)去噪并且能夠保持超聲波的特征。

◆?高精度：走線精度千分之2，定點(diǎn)精度達(dá)千分之0.8；

針對(duì)超聲波接收信號(hào)問題，曼恩斯特從硬件和軟件兩方面著手，在硬件上，對(duì)聲波發(fā)射模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，保證發(fā)射超聲波信號(hào)的穩(wěn)定性；對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行精密設(shè)計(jì)，采用精密型的機(jī)架結(jié)構(gòu)和高精度伺服電機(jī)等減少系統(tǒng)本身的干擾。在軟件上，優(yōu)化濾波算法，自主研發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)不穩(wěn)定的聲波接收信號(hào)進(jìn)行處理，確保測(cè)量的精度。

◆?干濕膜檢測(cè)：超聲對(duì)物質(zhì)含水不敏感，且測(cè)量精度沒變化，既可用于干膜檢測(cè)、也可用于濕膜檢測(cè)；

針對(duì)溫濕度影響，曼恩斯特在設(shè)計(jì)過程中，采用特定的算法進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償，消除環(huán)境溫濕度的變化導(dǎo)致的回波強(qiáng)弱變化。同時(shí)，曼恩斯特還解決了干膜測(cè)厚長達(dá)70米的不可控區(qū)域，大幅提升了涂布面密度的均勻性。

◆?多種物質(zhì)檢測(cè)：超聲波面密度測(cè)量儀對(duì)檢測(cè)物無選擇性；

目前，電池正極材料在主流三元（含常規(guī)、中高鎳等）、磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)上，新增了納米級(jí)LFP、超高鎳三元、三元+LFMP、錳酸鋰+LFMP、富鋰錳基、鈉離子等新型正極材料，負(fù)極也出現(xiàn)硅基負(fù)極、硬碳等新型材料。由于超聲波面密度測(cè)量儀對(duì)介質(zhì)無選擇性，可滿足多種物質(zhì)檢測(cè)需求。

◆?與制膜或涂布面密度的全自動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)深度融合：引入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)功能與全自動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)深度融合，提升面密度的一致性；

曼恩斯特致力于打造智慧涂布解決方案，助力電池企業(yè)降本增效，通過與全自動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)的融合，涂布面密度可達(dá)0.1%。

◆?超聲波面密度測(cè)量儀軟件系統(tǒng)：可顯示實(shí)時(shí)測(cè)量值，掃描起止位置可選擇，數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，橫向、縱向閉環(huán)對(duì)接，增益可自動(dòng)調(diào)整。

據(jù)悉，在C型架超聲波面密度測(cè)量儀、O型架超聲波面密度測(cè)量儀基礎(chǔ)上，曼恩斯特對(duì)于雙頭、多頭等超聲波面密度測(cè)量儀正在研發(fā)中，通過深入推進(jìn)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，打破國外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)下一個(gè)進(jìn)口替代。

開辟新賽道 持續(xù)增強(qiáng)價(jià)值壁壘

當(dāng)前，超聲波無損檢測(cè)技術(shù)作為五大常規(guī)檢測(cè)技術(shù)之一，被全球賦予高度重視。

隨著鋰電池大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)于產(chǎn)品良率提高、生產(chǎn)效率提升、生產(chǎn)成本降低等方面愈發(fā)看重，進(jìn)而對(duì)在線檢測(cè)設(shè)備的要求不斷提高，超聲波面密度測(cè)量技術(shù)在鋰電池檢測(cè)設(shè)備行業(yè)的市場(chǎng)潛力有望持續(xù)釋放。

作為國內(nèi)首套空氣耦合超聲波面密度測(cè)量儀的制造商，曼恩斯特在鋰電池檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域的價(jià)值也將更加凸顯。

目前，曼恩斯特在主力產(chǎn)品涂布模頭的創(chuàng)新基礎(chǔ)上，先是延伸至鋰電前段制漿工序，再到此次超聲波面密度測(cè)量儀的推出，使其在鋰電制造前段構(gòu)建起一種體系化且難以被超越的競(jìng)爭(zhēng)壁壘，這也將讓曼恩斯特在鋰電制造裝備領(lǐng)域形成了更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

同時(shí)，通過底層技術(shù)遷移，曼恩斯特也在持續(xù)開辟新的競(jìng)爭(zhēng)賽道。

如超聲波檢測(cè)技術(shù)，基于對(duì)超聲波檢測(cè)底層技術(shù)的掌控，除了鋰電領(lǐng)域之外，曼恩斯特超聲波檢測(cè)設(shè)備還可應(yīng)用于薄膜、造紙、鋼鐵、食品檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。

新品矩陣形成的體系化競(jìng)爭(zhēng)壁壘，讓行業(yè)看到了曼恩斯特的技術(shù)創(chuàng)新實(shí)力。不難發(fā)現(xiàn)，曼恩斯特持續(xù)夯實(shí)技術(shù)之墻，通過率先實(shí)現(xiàn)鋰電裝備領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)化與產(chǎn)品進(jìn)化，進(jìn)而技術(shù)遷移開辟新的市場(chǎng)領(lǐng)域，以此在智能裝備領(lǐng)域不斷衍生構(gòu)建新的成長價(jià)值。

審核編輯：劉清