【设计π】极片涂覆参数实时监测哪个更靠谱:激光法还是射线法?

2021-01-11 16:56:59 钛科优控 748

在极片制造工艺中,需要频繁对涂覆工序中极片的厚度、面密度等参数进行测量,以确保锂电池在生产中实际参数与设计参数相吻合,同时以此来保证极片参数的一致性。涂覆工序其实测量的是涂布敷料量(面密度),厚度测量也是用来间接的反映涂布辅料量的。国内一般在涂布调试时用取样器从烘干的极片上取样测量面密度,然后用千分尺测量一段极片前中后极片厚度,看极片敷料是否均匀,生产过程中使用千分尺、激光测厚仪或放射线测厚仪监控极片厚度或敷料量。千分尺手动抽检厚度比较麻烦,而且极片中间部分无法实现在线检测,一般小厂要求不是很高的在用;激光测厚仪能做到在线测量厚度,这个国内供应商做的很多;放射性测厚仪能在线直接测量敷料量,效果也较激光测厚仪好,但涉及放射源使用,审批过程非常麻烦,这个国外的多,像霍尼韦尔,横河机电等企业。

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针对涂布涂层厚度/面密度的测量方式主要分为接触式人工测量和工业仪器测量。人工接触测量方式精度差,且不便于实时检测;工业测厚仪按照形式共分为接触式、非接触式两大类。按照工作原理分为γ射线测厚仪、X射线测厚仪、涡流测厚仪、超声测厚仪、激光测厚仪、接触式测厚仪。目前,市场上各锂电企业常用的测厚/面密度的方式是非接触式测厚仪中的激光测厚和射线测厚

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激光测厚原理


激光测厚的原理如图1所示:

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图1.激光测厚原理图

激光测厚仪主要应用于被测物体厚度较大(5mm以上)各种生产线,尤其是中厚板和板坯的厚度测量,可以充分发挥测量范围大、测量精度与材质和温度无关的特点,发展方向是提高测量精度和进一步延长激光器的寿命,减少系统的维修次数。此法的突出优点是所测得的被测物厚度H值与被测物的材质、温度和标准值无关;采用上下对称测量可以自动消除由于被测物的跳动、弯曲和振动所引入的测量误差,从而大大提高了动态测量的准确度。与射线测厚仪相比具有无辐射危害、测量稳定、操作简单、全数字化信号处理等特点。

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射线测面密度原理


集流体卷材经放卷机构解卷,在涂布机构处进行间歇式涂布,将浆料均匀涂覆至集流体表面,然后进入烘箱加热,去除涂层中的大部份水分,再经过收卷机构在收卷机处收卷,完成涂布过程。测厚仪在涂层上的扫描轨迹如下图所示:

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图2. 测厚仪在涂层上扫描轨迹

根据射线源不同,分为X射线、β射线、γ射线三种测厚方式。其中X射线和测厚γ射线的原理基本相同,其原理是射线穿透物质后发生衰减,面密度越大衰减越多,测量衰减量可反推出面密度值。被测目标厚度与射线衰减强度的关系可用下式表示:

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式中I、I0—射线通过被测目标前后的辐射强度;μ—被测目标的吸收系数;h—被测目标厚度;ρ—被测目标密度。

但是,比较而言γ射线测厚比X射线要准确,这是因为天然射线源比人造射线管稳定,而γ射线是天然射线。X射线和γ射线测厚仪均可用于锂电池极片涂布面密度的测量,设备价格高且维护麻烦,γ射线是一种对人体有害的射线,其穿透力极强,需要特别注意。射线测厚原理如图3示:

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β射线也是通过利用放射性物质对材料有穿透性,而且穿透材料后能量被衰减,通过检测衰减多少能量,可以计算出材料吸收的能量值。被测材料吸收的能量与被测材料单位面积的质量两者之间有密切关联,只要推导出其中的关联并根据检测到的能量变化,就可以推算出材料的单位质量。β射线面密度检测系统可直接获取涂层面密度,相较其他激光类、电容类测厚系统更具有实际生产意义。

    针对三种不同射线源,其测量极片面密度的优缺点对比如表2

表2 不同射线源测面密度优缺点

X射线面密度测量仪

β射线面密度测量仪

γ射线面密度测量仪

电磁波

电子束

电磁波

正极极片、铜铝箔

正负极极片、铜铝箔

正极极片、铜箔、铝箔

人造射线稳定性较差

天然稳定、操作简便

天然射线稳定性较好

几乎无辐射,无需办理繁杂手续

国家管控天然射线源,手续较繁琐

对人体有害,管控严格,手续较繁琐

各种测量方法都有其不同的技术特点和应用范围。随着科学技术的进步,目前我国的测厚技术已经有了较大的发展,但由于因每一种方法都存在自身所无法克服的缺点,从而制约了它们的使用和普及,不能满足当前机械加工、检测领域中的实时、动态、在线、非接触的要求。在测厚领域里,由于光的介入,使光、机、电三者出现了有机的结合,并研制出了一系列光、机、电结合的测厚仪器,使非接触测量成为可能;同时在近几年中,由于计算机技术的飞速发展,人们把计算机强大的数据处理能力和自动控制能力引入到厚度测量中来,从而又使测厚技术趋向于动态、实时化测量,自动、程序化数据处理方向发展。