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Soluções de microscopia para a fabricação de baterias

Soluções de microscopia para a fabricação de baterias

O uso de baterias varia, desde dispositivos eletrônicos portáteis até veículos elétricos e armazenamento de energia. É crucial que haja uma fabricação econômica de baterias de alto desempenho, que sejam eficientes, confiáveis e seguras. No caso de componentes de baterias, uma vez que a indústria ainda é relativamente nova e em desenvolvimento, o controle de qualidade (CQ), a análise de falhas (FA) e a P&D são importantes.

A produção de baterias tem várias etapas, como a fabricação de eletrodos, bem como a montagem e o acabamento das células, que requerem inspeção e controle de qualidade. Diferentes soluções, desde a preparação da amostra até a análise visual e química microscópica, são necessárias durante o CQ, FA e P&D.

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Imagem de uma superfície de eletrodo de bateria registrada com iluminação de campo escuro usando um microscópio composto Leica.

Como são feitos os eletrodos de bateria?

Primeiro, as matérias-primas para o ânodo e o cátodo são misturadas para produzir uma emulsão homogênea. Em seguida, essa mistura é usada para revestir folhas metálicas, normalmente de Cu ou Al, e subsequentemente seca. A espessura desejada do eletrodo é alcançada com a calandragem. Em seguida, os rolos matriz são cortados em bobinas menores (rolos derivados). Finalmente, a secagem a vácuo remove qualquer resíduo de solvente.

O que é o conjunto de células de bateria?

Para a montagem da célula, os componentes individuais, ou seja, ânodo, cátodo e separador, são empilhados ou enrolados, dependendo da geometria da célula. Em seguida, são feitos contatos elétricos entre os eletrodos e os terminais. Em seguida, a pilha ou “rolo de gelatina” (enrolamento) é inserida no compartimento da célula.

Qual é o processo de acabamento da célula?

A célula é preenchida com um eletrólito. Em seguida, o gás gerado durante um processo de pré-carregamento deve ser removido antes que a célula seja fechada. Por fim, a célula passa por um processo automatizado de formação e envelhecimento para obter o desempenho ideal da bateria.

Quais são as etapas na produção de baterias?

A produção de baterias de última geração inclui 3 etapas principais:

  1. Fabricação do eletrodo: Preparação dos eletrodos, onde um aditivo condutivo e um aglutinante são misturados, em seguida, as folhas de eletrodo são revestidas com ele, comprimidas durante a calandragem, cortadas no tamanho correto (corte) e, finalmente, secas para remover a umidade residual.
  2. Montagem da célula: Processo no qual o ânodo e o cátodo são moldados de acordo com o design da célula, por exemplo, cilíndrico, prismático ou em bolsa (separação), em seguida, empilhados ou enrolados, soldados e inseridos em um compartimento, que é preenchido com um eletrólito.
  3. Acabamento da célula: Ativação eletroquímica com ciclos de carregamento e descarregamento (formação), para garantir o desempenho e a estabilidade da operação, seguida de desgaseificação, envelhecimento e teste final.

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Inspeção de eletrodos de bateria

Os eletrodos fazem parte da menor unidade de uma bateria, e quaisquer defeitos críticos, tais como impurezas, furos de sopragem no revestimento e ondulação das bordas, podem reduzir gravemente o desempenho e a confiabilidade da bateria.

Tais defeitos podem causar curtos-circuitos e representar riscos de segurança para os usuários. Além disso, podem prejudicar a capacidade de processar eletrodos, devido ao aumento da fragilidade. Por isso, o controle de qualidade em linha e a inspeção das superfícies dos eletrodos, bem como a homogeneidade em massa durante a fabricação são importantes. Os microscópios de inspeção são úteis para verificações de rotina da qualidade dos eletrodos, para aumentar o desempenho da linha de produção e treinar um sistema de IA (inteligência artificial) para detectar defeitos.

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Detecção de rebarbas em baterias

A detecção de rebarbas é importante, pois as rebarbas produzidas nas bordas dos eletrodos, durante o corte e a montagem da célula, podem danificar o separador e criar curtos-circuitos. As rebarbas também podem contribuir para a instabilidade térmica, um fenômeno que ocorre quando o controle de temperatura da bateria durante o carregamento está com defeito. A instabilidade térmica cria um aumento autossustentado da temperatura, que pode causar a decomposição dos componentes da bateria e, em última análise, incêndio e até mesmo uma explosão.

Os microscópios de alto desempenho são úteis para detectar rebarbas durante a montagem, com o objetivo de minimizá-las e ajudar a evitar a degradação da bateria causada por instabilidade térmica e curtos-circuitos.
Corte transversal de um eletrodo de bateria que foi preparado com um sistema de fresagem Leica. Imagem registrada com um microscópio composto Leica.

Análise em corte transversal dos componentes de uma bateria

O desenvolvimento e a produção de sistemas de baterias de alto desempenho exigem o exame das estruturas internas dos componentes. São usadas técnicas avançadas, tais como análise em corte transversal.

Essa análise requer a preparação de cortes transversais de amostras e métodos analíticos. Devido à natureza frágil ou macia dos materiais dos componentes, a preparação pode ser difícil.

Os cortes transversais de alta qualidade não podem apresentar lascas significativas (materiais quebradiços) e manchas (materiais macios). O manuseio e a preparação por várias horas de amostras em vácuo ou em atmosferas controladas pode ser um fator crucial. A análise deve fornecer resultados de forma rápida e confiável. As soluções que oferecem estas vantagens são:

  • Esmerilhamento, polimento e fresagem por meios mecânicos, bem como sistemas de fresagem de feixe de íons
  • Sistemas de manuseio ou transferência de amostras que mantêm um vácuo ou uma atmosfera controlada
  • Microscópios ópticos de alto desempenho (também possível em combinação com a espectroscopia a laser).

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Análise de limpeza para produção de baterias

A contaminação por partículas durante a produção de baterias pode causar curto-circuitos e superaquecimento, o que pode levar a um mau desempenho da bateria, vida útil curta ou até mesmo sua inutilização.

Portanto, a detecção e a eliminação de partículas é uma parte crítica do controle de qualidade durante a fabricação e montagem dos componentes. Um processo de limpeza robusto deve ser implementado para um controle de qualidade eficiente durante a produção de baterias.

Uma solução rápida e precisa para análise de limpeza é possível com a microscopia óptica. Para que haja uma avaliação visual e química, é necessário haver uma microscopia com espectroscopia.

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Eletrodo de bateria com fissuras e rebarbas nas bordas. Imagem obtida por um microscópio digital DVM6.

Inspeção de eletrodos de bateria quanto a defeitos

Eletrodo de bateria com fissuras e rebarbas nas bordas. Imagem obtida por um microscópio digital DVM6.

Imagem de uma superfície de eletrodo de bateria registrada com iluminação de campo escuro usando um microscópio composto Leica.

Superfície de eletrodos de bateria

Imagem de uma superfície de eletrodo de bateria registrada com iluminação de campo escuro usando um microscópio composto Leica.

Eletrodo de bateria mostrando um defeito de furo. Imagem adquirida com iluminação de campo escuro e um microscópio composto Leica.

Eletrodo de bateria com defeito

Eletrodo de bateria mostrando um defeito de furo. Imagem adquirida com iluminação de campo escuro e um microscópio composto Leica.

Eletrodo de bateria com fissuras e rebarbas nas bordas. Imagem obtida por um microscópio digital DVM6.
Imagem de uma superfície de eletrodo de bateria registrada com iluminação de campo escuro usando um microscópio composto Leica.
Eletrodo de bateria mostrando um defeito de furo. Imagem adquirida com iluminação de campo escuro e um microscópio composto Leica.

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