大规模电池质量

本文由 Peter Attia 贡献， Glimpse 的联合创始人和 CTO

• 电池质量是当今行业面临的最复杂问题之一，因为电池故障和吉瓦时规模的电池生产都十分复杂。然而，电池问题涉及的人类、环境、财务和声誉风险巨大。电池质量的挑战值得学术界、工业界和监管机构给予更多的关注。
• 我们的行业需要对电池质量控制内在的权衡有一个清晰的认识，例如性能与质量。实际上，电池质量必须与能量和成本等传统设计指标一起考虑。
• 改进的检测技术是电池质量控制的有前途的发展方向。虽然许多技术都有其作用，但3D X射线成像，或计算机断层扫描（CT），由于其非破坏性、高空间分辨率和可扩展性的潜力，特别有前途。我们的初创公司Glimpse正在将这种技术从研发技术转变为生产级工具。

介绍

本文主要基于我们在arXiv的预印本，可在此 查看。

尽管过去五年中锂离子电池的势头令人难以置信，但行业仍面临三大挑战：

• 安全：电池安全事件可能带来巨大的 人类、 环境和 财务 后果。
• 可靠性：电池组可靠性惩罚性的物理特性，其中一个损坏的电池单元可能导致整个电池组失效（图1），使电池级可靠性目标增加了2-3个数量级。
• 可制造性：在吉瓦时规模上生产电池，同时保持高产量、高吞吐量和高盈利能力，并避免微米级缺陷，这是极其困难的（见 这里、 这里和 这里）。

这三个挑战有一个共同的主题： 电池质量。面对电池行业的各种障碍中，确保高电池质量可能是在未来几年内加速电池生产最大的障碍。在本文中，我们将首先定义电池质量及相关概念，如电池故障和可靠性。然后，我们将讨论电池生产商和OEM可选择的电池质量控制选项。最后，我们将概述我们初创公司Glimpse对这一问题的看法。

定义电池质量与故障

在我们深入探讨电池质量之前，先花些时间描述电池故障。图2显示了电池故障的“分类”，分为三个严重程度级别：

• 首先， 性能下降 通常是由消耗锂或降解电极材料的（电）化学副作用引起的，导致电池性能下降。虽然性能下降当然是一个值得进一步关注的问题，尤其是对于新的电池化学成分，客户确实期望他们的设备在一定程度上存在性能下降。容量衰减本身并不是电池行业成功的主要威胁。
• 其次， 功能故障 通常是由机械或污染问题引起的，例如标签撕裂、金属污染物或锂镀层。这些问题可能导致电池表现出开路故障、短路故障或严重性能下降，从而使电池无法满足其功能要求。
• 最后， 安全事件 可以由多种根本原因引起，最显著的是功能失效，例如 内部短路 ，但也包括外部引发事件（例如汽车碰撞）和壳体/密封失效。安全事件可能导致身体伤害、财产损失，甚至环境危害。

虽然这个图说明了电池故障可能有多么复杂和交织，但有两个结论是显而易见的：

1. 功能故障和安全事件是电池行业的最大威胁，远比性能衰退更严重。
2. 电池质量是这两种故障的首要根本原因。

现在，让我们讨论电池质量。电池质量的一个定义是缺陷率低。电池缺陷可以以各种形式出现（图3），这些缺陷可能导致开路故障或短路故障，这更为令人担忧，因为内部短路是热失控的一个主要根源。

一个关键点是，许多这些缺陷是“潜在”的缺陷。虽然潜在缺陷从一开始就存在，但只有在电池运行期间才会激活。一个经典的例子是 金属颗粒污染物，它们在电池生产过程中被引入，但在颗粒刺穿隔板后才会引起内部短路。至关重要的是，这些缺陷在 短路 之前将没有电化学特征。因此，如果我们希望在它们发生之前检测到这些缺陷，就需要使用非电化学技术。潜在缺陷类似于癌性肿瘤，在它们足够大以至于引起严重问题之前是无症状的。

电池质量的第二个定义是 一致性，通常称为 电池间的差异。根据这个定义，质量差意味着制造完成的电池与设计有显著偏离。这种电池质量的定义更一般，因为它可以包括尺寸规格和电化学性能以及物理缺陷的缺失。

不符合要求会对最终产品产生许多影响。首先，不符合要求只是生产过程中过程控制不好的警告标志。其次，由于电池故障非常敏感，一批不符合要求的电池可能会有 很大的循环寿命差异 ，这也使得 电池测试和故障分析更加困难和昂贵。第三，因为电池组通常受限于最差的电池，电池组可能无法充分利用其可用能量。第四，不符合要求可能导致 电池组 平衡 问题。最后，电池之间的高差异性可能会限制电池设计的激进程度。总之，提高符合要求可以为电池组带来许多好处。

电池质量控制在现实世界中

我们已经确定电池质量是一个问题。正如所有制造过程一样，解决方案是 电池质量控制。虽然电池质量控制是一个值得单独文章讨论的多方面问题，但一个关键要素是 检查。电池检查技术可以在有缺陷的电池离开工厂之前识别出过程故障，并提供对制造性能的快照。简而言之，更好的检查在解决电池质量挑战中起着至关重要的作用。

电池质量控制检查中的一个关键考虑因素是使用哪些技术。表 I 列出了常见的电池质量检查技术及其一些最重要的特征。

再次强调，所有这些技术在电池质量检查中都各有用途。然而，只有一种技术能够同时满足所有这些要求：3D X射线成像，或计算机断层扫描（CT）检查。

高通量CT扫描的障碍

CT扫描并不是新技术：它于1970年左右发明，并且 在1979年获得了诺贝尔奖。你可能在医疗背景下听到这种技术被称为 “CAT扫描” ；CT也用于 机场安全检查。简而言之，CT通过“重建”一系列2D X光图像为3D体积，从而代表原始物体。

电池CT扫描并不是什么新鲜事：许多论文，例如 保罗·谢里ng教授 的实验室和 Exponent的论文都涵盖了这个话题。然而，这些论文大多数都是在研发或失效分析的背景下使用CT；最常见的研究类型是 在循环实验过程中定期扫描电池。虽然这些研究可以提供极好的见解，但在这些应用中的CT标准工作流程无法扩展到高通量生产。具体来说，今天的高通量电池CT面临两个限制： 扫描时间 和 分析时间。

历史上，CT扫描每个细胞需要几个小时。这些缓慢的扫描时间可以归因于多个因素。首先，CT是一种复杂的表征技术，有许多可优化的参数。类似于摄影，只需对技术有基本了解就可以提供可用图像，但获取硬件、获取参数和软件增强也可以无止境地调整，以获得“完美的拍摄效果”。此外，这两种技术都需要专门的专家来理解和评估关键的成像指标，如噪声、对比度、锐度和伪影的严重程度。细胞工程组织通常更关注电池电化学和制造，往往缺乏这些类型决策所需的专门知识。最后，CT设备的高资本成本可能导致电池工程师选择不完全符合其需求的硬件。

另一个主要瓶颈是分析时间。分析时间传统上并不是主要瓶颈，因为如果CT扫描需要几个小时，扫描时间通常是限制因素。然而，随着扫描时间减少到几分钟甚至几秒钟，扫描的数量相应增加，对每个扫描进行分析所花费的时间变得越来越重要。此外，传统的CT扫描分析工作流程非常缓慢且痛苦。考虑到2170细胞的高分辨率CT扫描数据可能达到数百GB，即使传输这些数据也可能是一个挑战，而今天的典型工作流程需要在昂贵的计算机上安装昂贵的软件，才能进行几次截图的等效操作。由于仪器、软件和计算资源的获取有限，只有少数工程师能够接受CT分析的培训。这不可避免地限制了工程组织理解并提高细胞质量的能力。

Glimpse的方法

我们的初创公司， Glimpse，致力于缩短扫描时间和分析时间，以将CT从低体积实验室仪器转变为高体积生产工具。简而言之，Glimpse的目标是减少CT扫描的“洞察时间”；事实上，“洞察时间”是我们进行工程决策的主要性能指标。

Glimpse 专注于三个关键要素来降低扫描时间，同时保持高图像质量： 优化的 CT 硬件 （例如， X 射线源， X 射线探测器）， 优化的扫描配方 （样本定位、投影次数、曝光时间），以及 图像增强 （基于软件的图像处理技术，如校正和 去噪图像增强是Glimpse核心竞争力的关键部分。通过这些优化，Glimpse的标准圆柱形细胞扫描仅需两分钟即可完成，同时保持高质量的图像。我们正在与合作伙伴共同设计的下一代、电池专用的CT硬件将把扫描时间缩短至10-20秒。由于扫描时间和图像质量总是存在权衡关系，Glimpse将提供最先进的帕累托前沿选项，供我们的客户选择最符合他们需求的权衡方案。

Glimpse的分析工作流程旨在快速和大规模进行。使用Glimpse，您可以使用我们的高通量扫描工作流程扫描任意数量的细胞。然后，我们使用图像处理/计算机视觉算法自动处理数据，以提高图像质量并提取关键特征（例如，悬臂测量、缺陷检测）。最后，您和您的同事可以在Glimpse网络应用程序（即 Glimpse门户网站™；图4和图5）上交互地查看这些数据，以便您的整个组织可以协作理解电池缺陷和变异的根本原因，从而提高电池质量。