鋰電池、次世代電池的最新觀察與分析
鋰電池因小型、薄型化的電子設備與追求大容量、安全性的車用電池、住宅用蓄電系統等需求增加，而成為重要的產業領域。鋰電池蓄電容量和充電速度越來越高，但也有發熱、冒煙、失火等不容忽視的風險。因此不論是在研發、品質保證、品質管理的任何環節，確保安全性都是重要的課題。
此外在激烈競爭下，讓產品週期加速，導致觀察、分析、評估、報告也必須加速。在此說明鋰電池的基礎知識，到次世代電池，及實現高效率化的最新觀察、分析案例。
- 鋰電池的基本結構、種類、材料
- 次世代電池、鋰離子電池等二次電池的觀察、分析課題
- 讓鋰電池的觀察、分析、評估更有效率的4K數位顯微鏡應用案例
- 改變鋰電池、次世代電池的研發與品質保證、品質管理常識的4K數位顯微鏡
鋰電池的基本結構、種類、材料
鋰電池（LiB二次電池）廣泛使用在智慧型手機、平板電腦、穿戴式裝置、筆記型電腦等小型、薄型化電子設備，EV（電動車）、HEV（油電混合車）的車用電池、住宅用太陽能發電、燃料電池的蓄電系統等。隨著用途增加，也生產出各種結構與形狀異同的鋰電池。以下說明基本結構和代表性形狀等。
鋰電池的基本結構
鋰電池基本結構的代表例如下圖所示，以下說明各部位及其任務。
- A）負極（Cathode）：對銅箔塗布高導電性碳材料（石墨、鈦酸鋰等）的電極。
- B）正極（Anode）：對鋁箔塗布鋰複合氧化物（鋰、錳、鈷、鎳、磷酸鐵等）的電極。
- C）隔離膜：由被稱為聚烯烴的化合物（聚乙烯〈PE〉或聚丙烯〈PP〉等）製成的微多孔膜，表面有1 μm以下細微孔。隔離膜隔開正極與負極，避免兩極接觸引起失火。
- D）電解液：用有機溶劑溶解鋰鹽後製成。
- E）充電
- F）放電
- G）集電體：扮演集中發電電力的導電體角色和支持體角色。正極用鋁箔，負極用銅箔。
- H）黏結劑：黏結集電箔混合的材料。
- I）活物質：和容量與電壓、特性密切相關。材料（例：鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鋰鐵等）選定與混合、攪拌的方式有多種。
鋰電池形狀（形態）的種類
鋰電池模組內部結構如前所述，外盒形狀和包裝形態、材質則有許多種類。下圖顯示其中最具代表性的3種鋰電池形狀（形態）。
- 圓柱型
-
- A：正極端子
- B：負極端子
- a：正極
- b：負極
- c：隔離膜
圓柱型鋰電池的成本最低且容量密度最高。但如果是在電池盒內部組合多個模組時，模組之間會產生縫隙，導致密度降低。
- 方型
-
- a：正極
- b：負極
- c：隔離膜
方型鋰電池多採用鋁製電池盒。會根據素材是鐵或鋁，導致方型電池的極性改變。鐵製電池盒的盒頂為正極，鋁製電池盒則為負極。
- 積層型（鋰聚合物電池）
-
- A：正極端子
- B：負極端子
- a：正極
- b：負極
- c：隔離膜
積層型又稱為鋰聚合物電池。使用薄膜積層的電池模組可縮減厚度。用於智慧型手機、平板電腦等有薄型化要求的機器。
電解液加入聚氧化乙烯（PEO）、聚氧化丙烯（PPO）、聚偏二氟乙烯（PVdF）等聚合物後，成為膠態電解液。
鋰電池正、負極材料的種類與特徵
鋰電池會因使用的正極材料和負極材料而有不同的特徵、用途，成本也有所不同。以下說明代表性材料的種類與特徵。
- 鈷系
正極材料：鈷酸鋰 LiCoO2 / 負極材料：石墨 LiC6 - 這是最普及的鋰電池，廣泛用於行動裝置。鈷的價格昂貴，又有熱失控的風險，做為車載用電池材質有安全性的課題。
- 鎳系
正極材料：鎳酸鋰 LiNiO2 / 負極材料：石墨 LiC6 - 鎳系鋰電池容量最大。以往存有安全性疑慮。「NCA系」則是將部分鎳置換成鈷並添加鋁，提升安全性，成為插電式油電混合車用電池材質。
- 錳系
正極材料：錳酸鋰 LiMn2O4 / 負極材料：石墨 LiC6 - 錳系鋰電池（LMO系）因為錳價格便宜（鈷的約1/10），且結晶結構堅固熱穩定性佳，安全性高，而成為車載用電池的主流。
- 磷酸鐵系
正極材料：磷酸鋰鐵 LiFePO4 / 負極材料：石墨 LiC6 - 磷酸鐵系鋰電池即使電池內部發熱，也難以破壞結晶結構，安全性高。此外比起以鐵為原料的錳系，有製造成本更低的優點存在。但缺點則是能量密度較低。
- 三元系
正極材料：用鎳和錳置換部分鈷酸鋰 Li（Ni-Co-Mn）O2 / 負極材料：石墨 LiC6 - 三元系鋰電池又稱為「NCM系」，使用鈷、鎳、錳3種原料提高安全性。和NCA系一樣，為插電式油電混合車採用。
- 鈦酸系
正極材料：錳酸鋰 LiMn2O4 / 負極材料：鈦酸鋰 Li4Ti5O12 - 鈦酸系鋰電池的負極，比起以往使用石墨的鋰離子二次電池，實現約6倍的長壽命與快速充電。但缺點則是能量密度較低。
次世代電池、鋰離子電池等二次電池的觀察、分析課題
在改良、提升鋰電池性能的同時，各企業也努力開發次世代二次電池。在此介紹深受期待的代表性次世代電池種類和特徵。並整理各公司激烈競爭中的二次電池產業的觀察、分析課題。
深受普及、實用化期待的次世代電池
隨著EV（電動車）等用途增加，研發更大容量與更高水準安全性的次世代二次電池已成為提高產業競爭力的課題，不論規模大小，企業紛紛投入研發。在此介紹代表性的次世代電池。
- 鋰空氣電池
- 理論容量密度可能超過1萬Wh/kg，實際試驗也已確認可達約600 Wh/kg。負極使用金屬鋰，但因容易析出，因此有和空氣中的水分反應時的安全性和特性劣化的課題。
- 全固態電池
- 不像鋰電池有電解液，是以固態電解質為隔離膜。有形狀自由度高，又不用擔心漏液的優點。理論容量密度有2000 Wh/kg以上。這是理論值，現階段的研發以500 Wh/kg以上為目標，努力推動實用化。充放電快，即使經過多次充放電週期，也較難劣化的優點。
固態電解質有硫化物和氧化物。前者雖然特性優異，但失火或浸水時有產生硫化氫的危險。從可搭載在電子設備上的小型產品開始生產。
- 次世代鋰電池
- 負極材料採用矽或石墨烯，活用既有製造製程，增加容量為主要目的。變更電解液帶來的充放電高速化，也是廣受矚目的研究項目。
- 鋰硫電池
- 超越全固態電池的理論容量密度2500 Wh/kg，又不使用鈷等昂貴材料，低成本、大容量，深受期待。相對有導電性和安定性較低、充放電週期造成特性劣化的課題。
- 鈉離子電池
- 容量密度和目前的鋰離子電池相等或略低，但不需使用稀有金屬，也能應用現有製造設備，低成本製造的優點。而析出時的反應性高等安全性課題，與充放電帶來的特性劣化，則和現有的鋰電池相同。
以往顯微鏡觀察、分析鋰電池等二次電池的課題
各公司競相研發高性能且更安全的鋰電池。針對快速的產品週期，品質保證和品質管理也必須加速。在次世代電池的研發和專利申請中，許多企業和研究人員也為了能儘早實現優良技術而激烈競爭當中。
因此不論是二次電池的研發與改良試驗、品質保證任一環節，除觀察、分析、定量評估外，速度也很重要，可說是成功的關鍵。
另一方面，使用以往的顯微鏡進行觀察、分析時，有如下的課題。
- 樣本為立體形狀、細微損傷的對比度低，難以找出對焦與照明條件，不同人對焦的位置不同，導致人為誤差。
- 不同光澤的素材混在一起的部位，導致觀察時產生光暈。難以設定適合的照明條件進行觀察，出現分析失誤。
- 樣本定位或變更角度花費時間和人力。
- 實施工業規格的異物混入計數與異物詳細觀察，設定很煩雜，需花費大量時間和人力。並且要得到正確的分析結果和定量數值，必須有高水準的人員熟練度。
- 量測值和計數結果不能儲存為數值資料，分析與評估、報告編製等後續作業也要花費大量時間和人力。
在此介紹使用最新4K數位顯微鏡，解決上述課題，簡單操作即能實現快速且正確的觀察、分析案例。
讓鋰電池的觀察、分析、評估更有效率的4K數位顯微鏡應用案例
近年來，隨著數位顯微鏡技術進步，已經可以解決以往顯微鏡的各項課題，透過簡單的操作，即可快速、清晰的放大觀察二次電池。而且最新的數位顯微鏡還能大幅提升尺寸量測與異物混入（異物）分析、活用影像、數值資料製作報告等作業效率。
KEYENCE的超高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」透過最新的高解析度HR鏡頭、4K CMOS、照明、影像處理技術，進行清晰的影像觀察和尺寸量測，高效實現二次電池的觀察、分析、評估。
在此介紹使用「VHX系列」的鋰電池觀察、分析案例。
異物的計數（根據ISO規格的異物混入分析）
「VHX系列」以汽車產業的清淨度規格ISO16232/VDA19為基準，進行異物混入量測。配備高功能的內建照明及高解析、大景深的影像，進行正確的自動面積量測、計數功能。即使是有凹凸的工件，也能輕鬆進行高精度異物混入（異物）計數、量測。
此外在「詳細分析模式」下，只要從膜濾器整體的影像中選擇任意異物，即可自動移動載物台，直接在高倍率下進行詳細觀察。比起以往的顯微鏡，更能輕鬆在短時間內完成異物鑑定。再加上景深合成與3D高度量測，即使目標物形狀凹凸，也能進行詳細觀察與3D尺寸數值化。
隔離膜的損傷觀察
「VHX系列」的高解析度（HD）感測頭可自動切換鏡頭，20-6000倍都不需要更換鏡頭，實現無縫縮放。此外配備內建照明（電動光圈），提供明視野、暗視野、偏光、微分干涉（DIC）等多樣觀察方法。自動應對所有目標物的觀察。
以往難以觀察的隔離膜表面細微損傷，透過使用微分干涉的4K高解析度影像，即可輕鬆快速的可視化。
負極材料剝落觀察
4K數位顯微鏡「VHX系列」透過大景深，可以對觀察部位整體全幅對焦的清晰4K高精細影像，進行觀察。
此外內建的照明模組支援各種拍攝條件，即使混入不同光澤的素材，也能清晰觀察。
再加上「多重照明功能」，一鍵操作即可自動取得全方位照明的拍攝資料。只要從中選擇，即可輕鬆取得最適合用於觀察的影像。也會自動儲存未被選到的影像，隨時觀察不同照明條件下的影像。也可重現和過去的觀察影像時一樣的條件，觀察不同的個體，因此可減少人為觀察與評估的差異。
電池盒焊接部位的觀察
方型盒蓋（上蓋、外蓋）封裝的焊接品質，對於確保鋰電池安全性來說，極為重要。
「VHX系列」實現可突顯細微形狀的全新觀察方法「光影模式（Optical Shadow Effect Mode）」。從多個方向投射照明光線以分析拍攝影像的變化（對比），藉此檢測表面的微小凹凸，取得相當於SEM（掃描電子顯微鏡）的觀察影像。
在此光影模式影像上重疊色彩資訊，可同時呈現凹凸資訊與色彩資訊，再經由分色（色圖）顯示，更輕易了解並可視化凹凸資訊。
此外，也能用儲存的影像進行凹凸形狀的3D量測與任意部位的輪廓量測。因此即使之後必須進行更詳細的分析，也不需要花時間再設定同一樣品的同一部位或觀察條件。
「VHX系列」和電腦一樣，可直接安裝Excel軟體。自動將取得的觀察影像與量測值匯入範本，大幅減少報告製作工時。
改變鋰電池、次世代電池的研發與品質保證、品質管理常識的4K數位顯微鏡
高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」能輕鬆取得4K高解析度影像以及高精度的2D、3D尺寸量測、異物混入計數與分析的數值資料。透過高精細影像和定量的數值資料，解決以往的量測、檢查課題，大幅提升作業效率的強力工具。
提升從觀察、分析到評估、報告編製為止一連串作業效率。因此在競爭激烈的二次電池市場中，得以實現非常快速的作業流程。
有關「VHX系列」的詳細說明，請下載型錄，或洽詢KEYENCE。
