Derniers exemples d’observation et d’analyse des batteries lithium-ion et nouvelle génération
Dispositifs électroniques toujours plus compacts et plus minces, batteries de véhicule grande capacité et haute sécurité, systèmes de stockage d’énergie résidentiels... Les industries électriques et électroniques développent chaque jour de nouvelles technologies au cœur desquelles la batterie lithium-ion joue un rôle stratégique. La capacité de stockage et la vitesse de charge des batteries lithium-ion se sont grandement améliorées. Cependant, ces batteries présentent également des risques d’embrasement et de génération de chaleur et de fumée que l’on ne peut ignorer. Afin de réduire ces risques, il est important de veiller à la sécurité du dispositif dès les phases de recherche et de développement et jusqu’à l’assurance et au contrôle qualité.
L’observation, l’analyse, l’évaluation et la création de rapports doivent être aussi efficaces et rapides que possible pour suivre l’accélération des cycles de mise sur le marché, imposée par une concurrence acharnée. Cette section récapitule tout ce que vous devez savoir sur les batteries lithium-ion et la nouvelle génération tant attendue de batteries rechargeables, et vous présente nos derniers exemples d’observation et d’analyse haute efficacité.
- Structure de base, types et matériaux des batteries lithium-ion
- Problèmes d’observation et d’analyse des batteries rechargeables, telles que les batteries lithium-ion et les prochaines batteries nouvelle génération
- Dernières applications de notre microscope numérique 4K, qui optimise l’observation, l’analyse et l’évaluation des batteries lithium-ion
- Un microscope numérique 4K qui optimise la recherche, le développement, l’assurance et le contrôle qualité des batteries rechargeables
Structure de base, types et matériaux des batteries lithium-ion
Les batteries lithium-ion, ou Li-ion, un type de batterie rechargeable, sont utilisées dans de nombreux produits, à l’instar des systèmes de stockage d’énergie pour installations photovoltaïques résidentielles et piles à combustible, des véhicules électriques (EV) et hybrides (HEV) et des dispositifs électroniques, notamment smartphones, tablettes, ordinateurs et autres appareils portables, toujours plus compacts et plus minces. Leur large champ d’application exige le développement de structures et formes très variées. Apprenez tout sur la structure de base, les principales formes et autres caractéristiques typiques des batteries lithium-ion.
Structure de base des batteries lithium-ion
Le schéma structurel ci-dessous désigne chaque partie d’une batterie lithium-ion et en détaille les fonctions.
- A) Électrode négative (cathode) : Des matériaux à base de carbone (graphite, titanate de lithium, etc.) à haute conductivité recouvrent une feuille de cuivre.
- B) Électrode positive (anode) : Des oxydes composites de lithium (lithium, manganèse, cobalt, nickel et phosphate de fer, etc.) recouvrent une feuille d’aluminium.
- C) Séparateur : Membrane microporeuse composée d’une substance chimique appelée polyoléfine (famille comprenant le polyéthylène [PE] et le polypropylène [PP]). La surface de cette membrane est parsemée de petits trous (1 micron max.) Le séparateur isole l’électrode positive de l’électrode négative, évitant toute combustion causée par leur entrée en contact.
- D) Électrolyte : Sel de lithium dissous dans un solvant organique.
- E) Charge
- F) Décharge
- G) Collecteur de courant : Joue le rôle de conducteur électrique, pour collecter l’électricité générée, ainsi que de matériau support. L’électrode positive est une feuille d’aluminium et l’électrode négative, une feuille de cuivre.
- H) Liant : Utilisé pour lier les matériaux mélangés sur le collecteur de courant.
- I) Matériau actif : Affecte sensiblement la capacité, la tension et les caractéristiques. Il existe une multitude de matériaux (dioxyde de cobalt et de lithium, dioxyde de manganèse et de lithium, lithium fer phosphate, etc.), de rapports de mélange et de méthodes d’agitation.
Types et formes des batteries lithium-ion
Les cellules de batteries lithium-ion, dont la structure interne est détaillée ci-dessus, sont recouvertes d’un boîtier dont le type, la forme et le matériau de composition diffèrent selon l’application. Retrouvez ci-dessous le détail des trois principaux types (formes) de batteries lithium-ion.
- Type cylindrique
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- A : Borne d’électrode positive
- B : Borne d’électrode négative
- a : Électrode positive
- b : Électrode négative
- c : Séparateur
Les batteries lithium-ion cylindriques sont réputées pour offrir la plus haute densité énergétique au plus faible coût. Toutefois, en cas de combinaison de plusieurs cellules dans un boîtier, les écarts entre les cellules réduisent la densité.
- Type prismatique
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- a : Électrode positive
- b : Électrode négative
- c : Séparateur
Les batteries lithium-ion prismatiques possèdent souvent un boîtier en aluminium. La polarité de la batterie prismatique varie selon le matériau utilisé, fer ou aluminium. Sur un boîtier en fer, la borne positive est en haut tandis que sur un boîtier en aluminium, c’est la borne négative.
- Type stratifié
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- A : Borne d’électrode positive
- B : Borne d’électrode négative
- a : Électrode positive
- b : Électrode négative
- c : Séparateur
Le type stratifié est également appelé batterie lithium-polymère. L’utilisation d’une cellule stratifiée par films permet de réduire l’épaisseur de la batterie, en faisant la solution idéale pour les smartphones, tablettes et autres appareils ultra-minces.
Les électrolytes sont généralement des gels contenant des polymères, tels que l’oxyde de polyéthylène (PEO), le polypropylène oxyde (PPO) et le polyfluorure de vinylidène (PVDF).
Types et caractéristiques des matériaux de composition des électrodes positive et négative des batteries lithium-ion
Les caractéristiques, applications et même coûts des batteries lithium-ion varient selon les matériaux de composition de l’électrode positive ou négative. Découvrez les principaux types de matériaux disponibles et leurs caractéristiques.
- À base de cobalt
Électrode positive : Dioxyde de cobalt et de lithium LiCoO2/Électrode négative : Graphite LiC6 - Il s’agit des batteries lithium-ion les plus courantes, notamment intégrées aux appareils mobiles. Toutefois, le coût élevé du cobalt et le risque d’emballement thermique les rendent peu adaptées à un usage en automobile.
- À base de nickel
Électrode positive : Dioxyde de nickel et de lithium LiNiO2/Électrode négative : Graphite LiC6 - Les batteries lithium-ion à base de nickel possèdent la plus grande capacité. Ce type de batterie était auparavant source de nombreuses inquiétudes, mais la base NCA, produite par substitution d’une partie du nickel par du cobalt et ajout d’aluminium, a contribué à améliorer la sécurité, permettant son usage dans les véhicules électriques hybrides rechargeables.
- À base de manganèse
Électrode positive : Dioxyde de manganèse et de lithium LiMn2O4/Électrode négative : Graphite LiC6 - Les batteries lithium-ion à base de manganèse (base LMO) sont les plus répandues en automobile en raison du faible coût du manganèse, environ un dixième du prix du cobalt, et de sa structure cristalline rigide à haute stabilité thermique, qui garantit une plus grande sécurité.
- À base de phosphate de fer
Électrode positive : Lihtium fer phosphate LiFePO 4/Électrode négative : Graphite LiC6 - Les batteries lithium-ion exploitant du phosphate de fer possèdent une structure cristalline extrêmement résistante à la chaleur, garantissant une haute sécurité. Autre avantage : leur coût de fabrication est encore plus faible que celui des batteries à base de manganèse exploitant du fer. Leur inconvénient demeure cependant leur faible densité énergétique.
- À base de trois composants
Électrode positive : Nickel et manganèse en partie substitués par du dioxyde de cobalt et de lithium Li(Ni-Co-Mn)O2/Électrode négative : Graphite LiC6 - Les batteries lithium-ion à base de trois composants, également appelées batteries à base NMC, exploitent trois composants, le cobalt, le nickel et le manganèse, pour améliorer la sécurité. À l’instar des batteries à base NCA, ce type de batterie est utilisé dans les véhicules électriques hybrides rechargeables.
- À base d’acide titanique
Électrode positive : Dioxyde de manganèse et de lithium LiMn2O4/Électrode négative : Titanate de lithium Li4Ti5O12 - Les batteries lithium-ion à base d’acide titanique affichent une longue durée de vie, environ six fois supérieure à celle des batteries lithium-ion classiques à électrode négative en graphite, ainsi qu’une charge très rapide. Cependant, leur densité énergétique demeure faible, un inconvénient non négligeable.
Problèmes d’observation et d’analyse des batteries rechargeables, telles que les batteries lithium-ion et les prochaines batteries nouvelle génération
Outre l’accroissement et l’amélioration continus des performances des batteries lithium-ion, les fabricants s’attèlent au développement de la prochaine génération de batteries rechargeables. Retrouvez les types et caractéristiques de ces batteries nouvelle génération, appelées à rencontrer un vif succès. Et découvrez les problèmes d’observation et d’analyse fréquemment éprouvés dans l’industrie hautement concurrentielle des batteries rechargeables.
Batteries nouvelle génération bientôt disponibles et fortement plébiscitées
Plus polyvalentes, pour s’adapter notamment à l’explosion du marché des véhicules électriques (EV), les batteries rechargeables nouvelle génération allieront haute sécurité et grande capacité. De nombreuses entreprises, de toutes tailles, se lancent dans la recherche et le développement de ces batteries rechargeables économiquement prometteuses. Apprenez tout sur la prochaine génération de batteries rechargeables.
- Batterie lithium-air
- Certaines études suggèrent que la densité énergétique des batteries lithium-air peut, en théorie, excéder 10 000 Wh/kg. Dans les faits, les tests ont confirmé l’atteinte d’une densité d’environ 600 Wh/kg. Cependant, des dépôts se forment facilement sur le lithium métal composant l’électrode négative. Ces dépôts peuvent compromettre la sécurité du métal, altérant ses propriétés sous l’effet d’une réaction à l’humidité de l’air.
- Batterie tout-solide
- Une batterie tout-solide exploite un électrolyte solide en tant que séparateur au lieu des électrolytes liquides des batteries lithium-ion. Cette modification permet de produire des batteries de toutes formes sans craindre une fuite de liquide. La densité énergétique théorique est supposée atteindre au moins 2 000 Wh/kg. Il s’agit là, cependant, uniquement d’une valeur théorique. La recherche et le développement se poursuivent actuellement pour tester ces batteries en usage réel avec un objectif de 500 Wh/kg minimum. Ce type de batterie se charge et se décharge à haute vitesse et conserve son intégrité même après de nombreux cycles de charge.
Les électrolytes solides se déclinent en deux types : à base de soufre et à base d’oxygène. L’électrolyte à base de soufre possède des propriétés supérieures mais présente un risque de génération de sulfure d’hydrogène à l’ignition ou en réaction à l’eau. La fabrication des batteries tout-solide a déjà débuté en version compacte pour appareils électroniques.
- Batteries lithium-ion nouvelle génération
- Du silicium et du graphène sont employés pour l’électrode négative. Ce type de batterie est actuellement en phase de recherche et de développement dans le but d’augmenter la densité énergétique tout en conservant les procédés de fabrication existants. L’un des principaux sujets de recherche concerne la possibilité d’accélérer la charge et la décharge en modifiant les électrolytes.
- Batterie lithium-soufre
- Les batteries lithium-soufre peuvent, en théorie, atteindre une densité énergétique de 2 500 Wh/kg, plus élevée donc que celle des batteries tout-solide, et n’exploitent aucun matériau onéreux tel que le cobalt. Ces caractéristiques promettent de grandes capacités à moindre coût. Cependant, les batteries lithium-soufre affichent une faible conductivité et une stabilité médiocre et se détériorent après de multiples charges.
- Batterie sodium-ion
- Bien que leur densité énergétique soit équivalente voire légèrement inférieure à celle des batteries lithium-ion actuelles, les batteries sodium-ion peuvent être fabriquées à moindre coût grâce à l’absence de métal rare et à la réexploitation des équipements de production existants. À l’instar des batteries lithium-ion, ces batteries posent des problèmes de sécurité, tels qu’une forte réactivité des dépôts de sodium, et leurs propriétés se détériorent après plusieurs cycles de charge.
Problèmes d’observation et d’analyse des batteries rechargeables, telles que les batteries lithium-ion
La concurrence fait rage entre les fabricants pour rechercher et développer des batteries lithium-ion plus sûres et plus performantes. Les cycles de mise sur le marché toujours raccourcis exigent une assurance et un contrôle qualité d’une fiabilité et d’une rapidité sans précédent. En parallèle, entreprises et chercheurs rivalisent chaque jour d’ingéniosité dans la course aux batteries nouvelle génération, pour proposer des technologies supérieures dignes d’être brevetées.
Dans ce contexte, l’observation, l’analyse, l’évaluation quantitative et surtout la vitesse d’exécution de ces opérations sont la clé d’un contrôle et d’une assurance qualité efficaces dans la recherche, le développement et l’amélioration des batteries rechargeables.
Ceci étant, l’observation et l’analyse au microscope optique souffrent de nombreux problèmes.
- La détermination de la position de mise au point et des conditions d’éclairage optimales est particulièrement difficile sur les cibles en trois dimensions ou présentant d’infimes rayures peu contrastées. Sur ces cibles, la position de mise au point réglée varie d’un opérateur à l’autre, faussant les résultats d’évaluation.
- Des reflets peuvent apparaître lors de l’observation de zones alliant plusieurs matériaux au pouvoir réfléchissant différent. Le réglage fastidieux des conditions d’éclairage optimales est souvent source d’erreurs dans l’analyse.
- Le positionnement de l’échantillon et le changement d’angle de vue sont particulièrement chronophages et rébarbatifs.
- Le comptage des contaminants et l’observation détaillée des corps étrangers conformément aux normes industrielles applicables sont pénibles à configurer, faisant perdre un temps précieux. En outre, l’acquisition de résultats d’analyse et de valeurs quantitatives précis exige un haut niveau de compétence.
- Les valeurs mesurées et les comptages ne sont pas enregistrés sous forme de données numériques, impliquant par la suite un lourd travail d’analyse, d’évaluation et de création de rapports.
Découvrez à présent des exemples d’observation et d’analyse rapides et précises en quelques étapes simples, grâce au microscope numérique 4K, qui résout tous les problèmes précédemment cités.
Dernières applications de notre microscope numérique 4K, qui optimise l’observation, l’analyse et l’évaluation des batteries lithium-ion
Les récentes avancées technologiques des microscopes numériques résolvent les problèmes inhérents aux microscopes optiques, permettant d’observer rapidement et avec précision chaque détail d’une batterie rechargeable, en quelques étapes simples et même sous fort grossissement. Les derniers microscopes numériques optimisent et accélèrent la mesure dimensionnelle, l’analyse de la contamination (corps étrangers), la création de rapports intégrant images et données numériques et bien d’autres opérations.
Le microscope numérique 4K Série VHX de KEYENCE capture des images entièrement nettes et mesure toute dimension grâce à ses objectifs HR haute résolution, son capteur d’image CMOS 4K, son éclairage et sa technologie de traitement d’image, garantissant une observation, une analyse et une évaluation efficaces des batteries rechargeables.
Retrouvez à présent des exemples d’observation et d’analyse de batteries lithium-ion avec la Série VHX.
Comptage des corps étrangers (analyse de la contamination conforme aux normes ISO)
La Série VHX réalise une analyse de la contamination conforme aux normes de propreté ISO 16232 et VDA 19, destinées à l’industrie automobile. Ce microscope est équipé d’une fonction de comptage/mesure automatique de surface, qui exploite les images haute résolution à grande profondeur de champ capturées grâce à l’unité d’éclairage haute performance intégrée. Toute contamination, notamment les corps étrangers, est ainsi aisément et précisément dénombrée et mesurée même sur les cibles présentant des irrégularités de surface.
En mode Analyse détaillée, il suffit à l’opérateur de sélectionner un contaminant sur l’image de la totalité du filtre à membrane pour déplacer automatiquement la platine, permettant d’observer en détail le contaminant sélectionné sous fort grossissement sur la même image. L’identification des corps étrangers est plus rapide et facile que jamais. De plus, la combinaison de la composition en profondeur et de la mesure de hauteur en 3D assure une observation précise et une mesure 3D quantitative même sur une cible à la surface irrégulière.
Observation de rayures sur des séparateurs
La tête haute résolution (HD) de la Série VHX bascule automatiquement d’un objectif à l’autre en toute fluidité pour faire varier le facteur de grossissement de 20x à 6000x, sans manipulation manuelle. L’unité d’éclairage intégrée (ouverture motorisée) propose de nombreuses méthodes d’observation, telles que champ clair, champ sombre, lumière polarisée et contraste interférentiel différentiel (DIC). Notre microscope assure l’observation automatisée de toute cible.
Par exemple, les rayures les plus subtiles de la surface d’un séparateur peuvent être visualisées sans difficulté à partir de l’image haute résolution 4K capturée sous contraste interférentiel différentiel.
Observation du décollement d’un matériau d’électrode négative
Le microscope numérique 4K Série VHX possède une grande profondeur de champ, garantissant la capture d’images haute résolution 4K entièrement nettes sur l’ensemble du champ d’observation.
L’unité d’éclairage intégrée propose une multitude de méthodes d’éclairage, pour une observation toujours optimale même lorsque la cible mêle plusieurs matériaux au pouvoir réfléchissant différent.
De plus, la fonction d’éclairage multiple capture automatiquement plusieurs images sous différents éclairages d’une simple pression sur un bouton. Il suffit alors de sélectionner l’image qui convient le mieux à l’observation parmi toutes les images capturées. Les autres images sont également enregistrées, permettant au besoin d’observer la cible sous un éclairage différent. Les conditions appliquées lors de la capture d’une image précédente peuvent être reproduites et utilisées pour observer un autre échantillon du même type de cible, réduisant ainsi le risque d’erreurs humaines lors de l’observation et de l’évaluation.
Observation de sections soudées sur des boîtiers de batterie
La qualité des soudures employées pour étanchéifier le couvercle ou le capot d’un boîtier carré est un paramètre essentiel pour assurer la sécurité des batteries lithium-ion.
La Série VHX intègre un mode effet d’ombre optique, une nouvelle méthode d’observation qui met en évidence les formes microscopiques de la cible. Les irrégularités de surface les plus infimes sont détectées en analysant le déplacement des ombres (contraste) sur des images capturées sous différents éclairages, permettant d’obtenir une image d’observation parfaitement nette.
Il est possible de superposer des informations de couleur à l’image du mode effet d’ombre optique, pour mieux comprendre les irrégularités de surface en visualisant simultanément le relief et les nuances de la surface ou en affichant le relief à l’aide d’un code couleur (cartographie couleur).
La mesure 3D des irrégularités de surface et la mesure du profil à la position souhaitée peuvent être exécutées à partir des images enregistrées, restées en mémoire même après l’observation. Ainsi toute analyse ultérieure peut être réalisée sans avoir à replacer l’échantillon, à spécifier la même position et à reproduire tant bien que mal les conditions d’observation.
Comme sur un PC, il est possible d’installer un logiciel tableur directement sur la Série VHX. Les images d’observation capturées et les valeurs mesurées peuvent être automatiquement transférées vers un modèle prédéfini, allégeant ainsi considérablement le travail de création des rapports.
Un microscope numérique 4K qui optimise la recherche, le développement, l’assurance et le contrôle qualité des batteries rechargeables
Le microscope numérique 4K Série VHX garantit une netteté que seules les images haute résolution 4K peuvent offrir et permet, en quelques étapes simples, une mesure 2D et 3D haute précision et l’acquisition de données numériques grâce au comptage et à l’analyse de la contamination. Ce microscope est un formidable outil pour résoudre les problèmes d’observation et d’analyse et améliorer la productivité à l’aide d’images haute résolution et de données numériques quantitatives.
Rationalisez toute une série d’opérations, de l’observation, l’analyse et l’évaluation jusqu’à la création de rapports, pour un gain de temps appréciable. Accélérez les processus de contrôle, pour rester compétitif sur un marché des batteries rechargeables hautement concurrentiel.
Pour plus d’informations ou pour toute demande concernant la Série VHX, cliquez sur les boutons ci-dessous.
