电池制造与质量控制

布鲁克的解决方案从始至终都能为制造商提供价值，我们的每项分析技术在整个电池生产过程中都有多种应用。

继续阅读，了解如何运用我们的分析解决方案提升电池制造各阶段的质量与性能，或通过下方导航跳转至您感兴趣的环节： 

对原材料和前驱体的检测以验证其成分与质量，是生产可靠高性能电池的关键环节。布鲁克产品组合可实现从材料鉴定到污染物面分布的高水平质量保障，操作便捷且结果可靠。

我们的解决方案涵盖X射线荧光光谱仪（XRF），用于快速精准的成分验证；基于电子显微镜的探测器，可实现纳米级空间元素与结构分析；以及核磁共振（NMR）、电子顺磁共振光谱仪（EPR），用于分子和原子层面的原材料评估。

电池生产所用金属、盐类及湿法前驱体等原材料的纯度至关重要。即使微量杂质也可能导致电池容量衰减、副反应或缩短电池寿命。

X射线荧光光谱仪（XRF）可进行快速、无损的元素定量分析，用于材料验证和污染物检测，即使是痕量水平也能检测。 

X射线荧光技术在电池行业常规应用包括：

测定硫酸镍镍锰（NCM）溶液中的Ni:Co:Mn比例（图2），确保正极材料配比准确。 

铜箔与铝箔的质量控制。

检测可能影响负极功能的石墨粉末中的杂质。 

测定导电盐与湿法前驱体的纯度及化学计量比，保障下游工艺可靠性。 

将XRF集成到质量工作流程中，有助于制造商维持高标准并降低生产风险。布鲁克公司既提供配备直观软件的先进XRF系统以简化常规分析，也提供便携式XRF解决方案，可在工厂收货区灵活操作。

石墨是锂离子电池负极的前驱体材料，为锂离子嵌层提供结构支撑，并影响材料的导电性与循环寿命。石墨的质量控制至关重要，因为颗粒尺寸、形貌或内部缺陷的波动会导致涂布不均、性能下降，并带来安全隐患。

X射线显微镜（XRM）可实现石墨颗粒的无损3D成像，制造商可据此检测颗粒粒度分布、形状均匀性，并识别异物夹杂或空洞。

布鲁克X4 POSEIDON系统凭借亚微米级分辨率和先进分割工具，无需物理切片即可实现快速精准的形态分析。在石墨质量控制中应用三维成像技术，有助于确保高品质负极材料的生产。

石墨的低电压开路电位使其在充电过程中易于形成金属锂沉积，尤其在低温、高充电速率和高荷电状态下更为显著。

电子顺磁共振（EPR）波谱技术适用于非原位、现场原位及工况原位条件下的测量，可对锂金属沉积物（如块状、枝晶或金属丝状物）进行精细探测。利用EPR技术，能够对表面化学、相变及结构变化进行无损监测与研究。

锂离子电池（LIB）中的隔膜用于在电学上隔离阳极与阴极，同时允许锂离子在电极间迁移。隔膜的设计与质量对电池的安全性、热稳定性及整体性能具有显著影响。

在电动汽车应用领域，聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）是制造隔膜的主要材料，尽管替代性聚合物配方和陶瓷添加剂也在积极研发中。

时域核磁共振（TD-NMR）是一种快速、无损的分析技术，被广泛用于表征聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。通过测量分子流动性，TD-NMR可直接揭示结晶度、密度和交联密度等物理特性。该方法在聚合物行业的研究开发及质量控制中均得到常规应用。

正极活性材料（CAM）是电池正极的关键组件，其质量直接影响电池的能量密度、循环寿命及整体性能。

高性能正极活性材料（CAM）的生产需要贯穿全流程的精准质量控制，涵盖生产过程中的煅烧监测、成品微观结构分析以及溶剂回收分析。

布鲁克提供一系列基于X射线产品的解决方案，可优化该生产阶段，实现高效生产工艺并生产出高品质正极活性材料（CAM）。

pCAM是最终CAM产品生产的中间材料。它通常由三元正极材料（NCM）的硫酸盐溶液制备而成，并经过进一步加工以达到所需的结构和组成。由于pCAM直接影响NCM正极的性能，因此在此阶段严格的质量控制至关重要，以确保一致的电化学性能和长期稳定性。

X射线衍射（XRD）是评估pCAM晶体质量的成熟方法。衍射峰的各向异性展宽与形状可通过前驱体层状结构中堆垛缺陷概率进行建模。使用布鲁克先进的XRD解决方案，制造商既能验证结构完整性，又能优化pCAM的生产工艺，以满足高性能NCM正极材料的需求。

在CAM合成过程中，氢氧化物前驱体需经煅烧形成目标晶体结构。该热处理过程的精准控制对获得正确相组成和晶格完整性的CAM产品至关重要。

XRD技术可提供相变的实时或后处理验证，确保完全转化并检测残留氢氧化物相。同时能监测煅烧过程中晶粒生长与微观应变发展，帮助优化温度调节及保温时间等工艺。

借助D8 ADVANCE X射线衍射仪，制造商可确保产品结构的一致性，防止影响电池质量的缺陷产生。

溶剂回收有助于减少废弃物并维持CAM生产过程中的流程效率。X射线荧光（XRF）技术可快速分析回收溶剂的成分，使制造商能快速精准地验证溶剂纯度，检测残留金属或污染物。这确保了回收质量的稳定性，防止杂质重新进入生产流程。

相较于多种湿法化学或ICP方法，XRF的制样简单，检测周期短，特别适用于此类常规工艺监控环节。布鲁克公司提供实验室型XRF光谱仪及满足灵活应用需求的手持式XRF设备。 

CAM的质量直接决定电池性能与可靠性，其结构与形态完整性至关重要。此阶段的质量控制确保CAM产品满足晶体结构和颗粒几何形状的严格规范。

目前，X射线衍射（XRD）已经成为晶体分析的行业标准技术，可精确测量晶格参数、晶粒尺寸及相纯度——这些是结构稳定性与锂离子流动性的关键指标。 通过XRD精修分析，也可以分析原子位置、原子占有率等参数的具体情况—例如锂、镍原子占据错误晶格位置将导致电池容量下降并加速性能衰减。布鲁克XRD系统凭借先进精修工具实现高分辨率晶体结构分析，助力制造商验证产品结构完整性，优化CAM工艺，以生产高性能电池。

三维X射线显微镜（XRM/微CT）通过提供颗粒尺寸分布、形状及表面特征的无损三维成像，对结构分析形成补充。这些因素影响电极堆积密度、涂层均匀性及机械完整性。 早期检测异常或异物可有效预防缺陷并提升可靠性。布鲁克3D XRM解决方案融合亚微米级分辨率与自动颗粒分割技术，提供快速精准的形态分析，确保CAM生产符合质量标准。

NCM（镍钴锰）颗粒是众多锂离子电池正极的主要活性材料，直接影响能量密度、循环寿命及安全性。

其成分组成与微观结构决定了电池的效率。对NCM三元颗粒进行预筛分析是保障其均一性、杜绝杂质混入的关键环节，有助于规避最终电池电芯出现缺陷及性能衰减问题。

基于扫描电子显微镜（SEM）的解决方案可实现杂质定位、颗粒分析及微观结构深度表征。

对NCM颗粒进行杂质筛查至关重要，因微量杂质即可导致电化学性能下降。此外，确定污染物位置有助于追溯并消除其来源。扫描电子显微镜上的能量色散X射线光谱仪（EDS）是进行微米至纳米尺度空间元素分析的强大工具。 

行业领先的XFlash® FlatQUAD EDS探测器 可帮助用户在大尺度与单颗粒水平上快速筛查球形颗粒，无需低真空环境，也无需对样品进行喷碳 / 喷金处理。该能谱探测器独特的环形平插设计，可实现超快速、无阴影遮挡的元素面分布分析，能够在毫米级视场内精准筛查数百颗颗粒。

除块体分析外，XFlash® FlatQUAD采集的高分辨率数据还能实现对单个颗粒的深度空间元素分析，可识别并定位小至数百纳米的污染物。 

对NCM颗粒微观结构进行定量表征，对确保电池生产质量稳定至关重要。高分辨率电子背散射衍射（EBSD）成像技术可强化质量控制流程，确保NCM颗粒具备最优微观结构。

借助革命性的eWARP——迄今为止更快速更灵敏的EBSD探测器，生产厂商可在创纪录的时间内实现纳米尺度下的晶粒取向与晶粒尺寸分布测试。单颗NCM颗粒内的1000多个晶粒均可清晰成像，帮助用户验证微观结构均匀性，并识别可能影响电池性能的缺陷。

在制造电池之前，必须检查每个组件（如正极、负极和聚合物隔膜等）是否有缺陷和污染物。不这样做可能会导致电池故障或性能异常。

布鲁克为电池组件质量控制提供的解决方案包括：

• X射线衍射仪（XRD）用于验证晶体结构与织构
• 3D X射线显微镜（XRM）实现内部组件的三维无损检测
• 微区X射线荧光光谱仪（Micro-XRF）快速检测并定位微量污染物
• 核磁共振（NMR）用于探测局部结构、离子迁移率及电解质质量
• 时域核磁共振（TD-NMR）用于检测聚合物膜完整性、浆料均匀性及固体含量
• 电子顺磁共振（EPR）技术用于揭示电池原材料中的顺磁缺陷、电子结构、电荷存储特性及退化机制

这些分析技术协同作用，帮助制造商确保电池组件在组装成电池前具备高品质和一致性。

可通过 3D X 射线显微镜 / 显微 CT 检测正极内部结构的均匀性与结构完整性。借助 X 射线显微镜，制造商可对正极颗粒进行3D成像，确定颗粒尺寸与分布，并识别孔隙或微裂纹。这种无损分析有助于筛选出缺陷正极，避免其流入电池电芯装配环节。

布鲁克X4 POSEIDON X射线显微镜提供高分辨率3D成像与自动化测量功能，助力制造商将严格的质量控制融入生产流程。

负极材料内部的局部结构与离子动力学对材料性能、退化机制及循环寿命具有决定性影响。因此，能够探测短程有序性、无序性及离子迁移率的技术对于理解这些过程至关重要。

固体核磁共振（ssNMR）用于分析负极材料的局部结构，以识别充放电过程中发生的相变和结构畸变。

这包括检测无序体系中的锂/钠离子环境。固体核磁共振技术可直接探测不同时间尺度下的离子迁移率（例如7Li、6Li），从而研究负极内部的锂离子扩散过程，这对分析决定电池寿命和效率的关键因素——负极电解质界面（SEI）至关重要。布鲁克的固体核磁共振解决方案可提供关于正极活性材料的分子级与原子级洞察，助力优化电池性能并实现制造过程的质量控制。

通过 X4 POSEIDON 的 XRM 技术，同样可对负极材料进行3D检测，实现颗粒形貌、排列取向与内部结构的定量分析。

与XRD技术相结合，可提供更多关键信息，使制造商能验证石墨阳极的晶体结构与织构——这两者均是高效离子传输的重要因素。布鲁克D8 ADVANCE X射线衍射仪提供快速精准的晶体学分析，助力制造商精确监控阳极质量。同时，其先进探测器技术与灵活配置支持多尺度应用。

XRD与3D XRM的协同应用，可帮助制造商确保负极成型良好、无结构缺陷。

浆料的物理化学特性及其在电极上的均匀沉积，是至关重要的质量控制参数。这些特性深受搅拌条件的影响，例如螺杆转速、搅拌时间以及原料精确计量。保持浆料均匀性对材料稳定性至关重要，这既能提升电池单元的安全性与使用寿命，最终还能实现成本节约。

布鲁克 minispec 采用紧凑型台式设计，提供时域核磁共振（TD-NMR）技术，可获取分子结构、动力学及相互作用的关键信息。其人性化设计使非专业人员也能在极简样品制备条件下快速获得可靠结果。该技术特别适用于：- 早期检测浆料样品中的沉降现象- 量化固体含量- 监测配方比例（活性材料、导电添加剂和粘合剂）- 评估均匀性- 识别分层现象。

聚合物膜和隔膜不但必须要确保无污染物，以免干扰电化学过程，同时还需具备合适的孔径和结构，以促进离子传输。

微区X射线荧光光谱仪可快速检测并定位膜材料中的微量金属或其他杂质颗粒。M4 TORNADO 是一款台式光谱仪，可轻松置于质量控制实验室的台面上，实现对痕量污染物的快速检测。

3D XRM 可提供孔径尺寸与分布的精细图像，确保膜材符合设计规范。通过整合这些工具，制造商能维持高洁净度标准并优化膜性能。

聚偏氟乙烯（PVDF）是锂离子电池（LIBs）的关键组件，主要作为正极中的粘合剂，将活性材料固定在一起并使其附着于金属集流体上。

高分辨率多核核磁共振（¹⁹F、¹H、¹³C）表征了聚偏氟乙烯（PVDF）链的微观结构，包括头尾相连的区域缺陷、支化结构及链端结构。固体核磁共振（尤其是¹⁹F MAS技术）可区分晶相（α、β、γ）与非晶域，而PFG-NMR则用于测量PVDF基聚合物电解质中的离子迁移率。

将各部件组装为电池电芯后，需进行严格测试，确保性能、安全性与质量标准达标。质量控制对于识别隐蔽缺陷、验证内部结构、确保每节电芯在实际工况下可靠运行至关重要。

布鲁克 3D X 射线显微镜（XRM）解决方案可实现电池电芯内部结构的无损高分辨率三维成像。

与之互补的布鲁克 X 射线衍射（XRD）系统和and solid-state Nuclear Magnetic Resonance (ssNMR) systems则可提供精准的材料结构信息。这些技术结合，可为电池电芯全生命周期的质量、稳定性与预期性能提供全面解析。

原位测量是在真实工况下，对处于充放电循环中的电池电芯进行实时分析。

这种原位方法可让制造商与研究人员观察电芯在使用过程中的内部结构变化，如相变、产气或老化劣化。原位分析可帮助制造商规避传统检测难以发现的意外容量衰减、安全风险或提前失效等问题。

可通过XRD、3D XRM或微区XRF技术实施原位测量。

X射线衍射(XRD)的原位测量

原位XRD测量可监测电池电极在充放电循环中的晶体结构变化。通过XRD技术，用户能观察正负极材料的相变过程，并在充放电过程中定量分析晶格参数。

布鲁克D8 ADVANCE系统凭借快速数据采集与高灵敏度特性，使制造商能够实时记录详细结构信息。 

基于X射线显微镜的原位测量

原位 XRM 可在电池工作状态下，对其内部结构进行高分辨率三维成像。该方法可直观呈现循环过程中的动态变化，如产气与电极膨胀。

台式机 X4 POSEIDON 在快速无损成像与延时序列拍摄方面表现优异，可帮助用户精准定位潜在失效点。

利用固体核磁共振进行原位测量

为满足市场需求，制造商需优化生产流程，提升产量、速度、效率及资源利用率。深入调查是应对这些挑战的基础，而固体原位核磁共振波谱等技术则提供了可靠且全面的分析工具。

布鲁克提供定制化解决方案，例如布鲁克与ePROBE联合推出的产品——一种配备电流收集端口的原位探头，可在核磁共振磁体内部实现电化学电池的充放电操作。此外，探头还集成气体或液体流动通道，可用于氧化还原液流电池、金属空气电池及类似系统的实验研究。布鲁克完整的高品质解决方案专为满足学术界与工业界的电池研究需求而开发。

微区X射线荧光（micro-XRF）原位测试

原位微区X射线荧光技术是监测电池循环过程中电极内部及界面间关键元素空间分布的新兴技术。

近期技术突破（如基于M4 TORNADO的共聚焦微XRF）实现了元素变化的深度剖析乃至三维成像，可原位监测金属沉积与离子迁移等过程。

原位微区X射线荧光光谱法是一个新兴研究领域，近期发表的文献已展示其通过其在实际电池研究中的可行性。

借助 X4 POSEIDON 台式 X 射线显微镜，可通过 3D XRM / 显微 CT 实现电池电芯内部结构可视化。该设备使制造商无需拆解或破坏样品，即可三维呈现完整成品电芯的内部结构。利用 XRM 可精确测量负极悬垂等关键设计参数，确保电芯内部结构对齐与安全裕量。

除悬垂分析外，XRM 还可检测层间剥离，识别在制造或搬运过程中产生的层状裂纹。凭借清晰高分辨率的内部结构图像，XRM 可帮助质控团队尽早发现问题，并为工艺改进与产品验收提供科学决策依据。

电池电芯的安全测试（如钉刺冲击评估）也可通过 XRM 完成。使用 X4 POSEIDON，制造商可无损观测机械侵入对内部层结构的影响，识别裂纹扩展、层间分离或产气现象。精细的三维成像有助于制造商评估安全机制有效性，并优化电芯设计。

在电池电芯制造过程中，失效分析对于识别并解决可能导致电池过早失效或引发安全隐患的潜在问题至关重要。通过精准定位失效的根本原因，制造商可在生产流程中实施纠正措施，有效防止类似问题再次发生。

这种积极策略不仅提升了生产力和效率，还可以显著节约成本。通过理解电池单元故障的根源，能够实现持续的工艺改进，确保制造流程既高效又经济可行。

原位核磁共振（NMR）技术能深入解析电池材料的原子级特性，助力制造商优化电极成分、电解液及隔膜的配方。

布鲁克的Avance核磁共振解决方案提供自动化工作流程，显著提升用户效率，几乎无需耗费时间进行仪器设置、校准和验证。用户友好界面确保操作流畅，仅需极少核磁共振专业知识即可轻松上手。该方案包含预构建且经过验证的方法，可测量离子扩散系数、识别并量化产品降解情况，并在整个电池生命周期内建立降解路径。

电池回收对电池可持续生产至关重要，具有显著的经济与环境效益。通过黑粉分析从废旧电池中回收有价金属，制造商可降低对波动性供应链的依赖并降低生产成本。

高效的金属回收确保锂、镍、钴及稀土元素等关键材料重返供应链，既支持循环经济，又助力企业达成合规与可持续发展目标。 

布鲁克的先进解决方案可实现对黑粉的精准的元素与成分分析，提供优化回收工艺所需的数据，从而最大化有价金属回收率。

布鲁克X射线荧光（XRF）解决方案实现了对黑粉的快速精准成分分析。这些先进仪器可快速无损地分析元素，使研究人员和回收操作员能够准确测定电池回收流程中有价金属浓度并监测杂质水平。 

布鲁克XRF解决方案以速度、灵敏度和可靠性为核心设计理念，是优化金属回收率、确保再生电池材料高品质的理想选择。实验室可选用台式或落地式XRF光谱仪进行成分分析；生产现场则推荐便携式XRF设备，兼顾灵活性与分析精度。  

核磁共振（NMR）技术可用于实时监测从粉碎电池废料或浸出液（例如来自NMC等正极材料）中提取锂的效率。这有助于优化化学工艺，例如确定锂回收的最佳条件。

核磁共振技术还通过实现对N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）回收过程的精准、实时、定量分析，为电池回收提供支持，确保该溶剂纯度足以在阴极浆料生产中重复使用。作为阴极制造中用于溶解聚合物粘合剂的关键溶剂，NMP回收对实现经济高效、可持续的生产废料直接回收至关重要。

布鲁克广泛的分析解决方案贯穿电池生产与回收全流程，在多个工艺阶段发挥应用价值，助力质量提升。 

请参阅下文了解各项技术及其在电池行业的应用详情。