面对电芯极片与隔膜±1μm厚度一致性挑战，如何选择并应用高效的非接触测量技术实现新能源电池在线检测？【质量控制】

1. 基于电芯的基本结构与技术要求

电芯，作为电池的核心组成部分，其内部结构如同一个精密的“三明治”或“千层饼”。它主要由正极片、负极片和位于两者之间的隔膜组成。正负极片通常是在金属集流体（如铜箔和铝箔）上均匀涂覆活性物质制成的。在电池生产过程中，这些极片和隔膜会通过卷绕或叠片的方式组合起来，形成一个紧凑的能量单元。

电芯的厚度一致性是影响电池性能和安全性的一个极其关键的指标。想象一下，如果电芯内部的极片或涂层厚薄不均，就像一块夹心饼干，如果夹心分布不均匀，有的地方厚，有的地方薄，那么这块饼干就容易在受力时从薄弱处断裂。在电芯中，这种厚度不均会导致：

• 安全性风险：局部过薄可能导致内部短路，引发热失控甚至燃烧爆炸；局部过厚则可能造成内应力集中，长期使用后容易鼓胀变形。

• 循环寿命降低：厚度不一致意味着电池内部活性物质的分布不均，充放电过程中会形成电流密度差异，导致局部过充过放，加速电池容量衰减，减少使用寿命。

• 能量密度受损：厚度不均还会导致电芯无法紧密堆叠，浪费宝贵的内部空间，从而降低电池整体的能量密度。

因此，在电芯的卷绕或叠片过程中，对极片和隔膜的厚度一致性控制需要达到极高的精度，通常要求误差在±1μm甚至更小的范围内。这个精度要求非常高，相当于头发丝直径的百分之一，对测量技术提出了严峻挑战。

2. 针对电芯的相关技术标准简介

为了确保电芯的质量和可靠性，行业内对电芯及其组成材料的厚度等参数制定了一系列监测和评价标准。这些标准主要关注以下几个方面：

• 厚度一致性（Thickness Uniformity）：这是最基础的参数，指的是极片、隔膜或整个电芯在不同位置的厚度偏差。通常通过在特定区域内多点测量，或沿着材料宽度/长度进行连续扫描，然后计算平均值、最大差值或标准差来评估其均匀程度。厚度一致性越好，电芯内部结构越稳定。

• 涂层均匀性（Coating Uniformity）：特指极片上活性物质涂层的厚度均匀程度。涂层不均会导致活性物质利用率低，电池内阻增大，进而影响充放电性能和循环寿命。评价时，会关注涂层表面平整度、有无颗粒或空洞等缺陷。

• 总厚度变化（Total Thickness Variation, TTV）：指在特定测量区域内，被测物体的最大厚度与最小厚度之间的差值。TTV是衡量整体厚度波动范围的关键指标，数值越小，表明整体均匀性越好。

• 局部厚度波动（Local Thickness Variation, LTW）：与TTV关注整体范围不同，LTW衡量的是在较小局部区域内厚度的变化情况。它能更精细地反映微观层面的厚度一致性，对于发现局部缺陷或微观不均匀性至关重要。

• 表面粗糙度（Surface Roughness, Ra/Rz）：描述材料表面微观不平整度的参数。对于极片而言，合适的粗糙度有利于电解液浸润和离子传输，但过高的粗糙度可能影响涂层均匀性或刺穿隔膜，导致安全问题。

这些参数的监测和评价方法，旨在从宏观到微观全面把控电芯制造过程中的厚度质量，确保最终产品的性能和安全性。

3. 实时监测/检测技术方法

电芯制造对厚度测量的苛刻要求，推动了多种高精度非接触式测量技术的发展。下面我们将深入探讨市面上几种主流的实时测量技术方案及其特点。

(1) 市面上各种相关技术方案

光谱共焦测量技术

光谱共焦测量技术是一种先进的非接触式光学测量方法，其核心原理是利用光的色散效应。想象一下，一束普通的白光，经过一个特殊的棱镜或者透镜组后，就像彩虹一样，不同颜色的光线（也就是不同波长的光线）会以不同的角度散开，并且聚焦到不同的距离上。

工作原理与物理基础： 光谱共焦传感器内部会发射一束宽光谱的光（比如白光），这束光通过一个特殊的色散光学系统（例如，一个具有色散特性的物镜）。这个物镜的独特之处在于，它对不同波长的光线具有不同的焦点位置。这意味着，红光可能在离物镜较远的位置聚焦，而蓝光则可能在离物镜较近的位置聚焦。当这束光照射到被测物体表面时，只有恰好聚焦在物体表面的那个波长的光线，反射回来的信号最强。传感器通过一个针孔（共焦孔）接收反射光，这个针孔能够有效滤除非焦点的杂散光，确保只有来自焦点区域的光线才能被探测器接收。

探测器（通常是光谱仪）会分析返回光的光谱，识别出哪个波长的光强度最高。由于每个波长都对应一个特定的焦点位置，一旦找到最强信号对应的波长，我们就能根据预先标定好的波长-距离关系，精确计算出物体表面的距离。

对于厚度测量，光谱共焦技术有两种主要方式： * 双探头对射：使用两个光谱共焦传感器分别测量物体上下两个表面的距离，然后将两个距离相减得到厚度。 * 单探头穿透测量：对于透明或半透明材料（如电池隔膜），当光线穿透材料时，会在材料的上表面和下表面分别形成一个焦点。传感器能同时识别这两个界面的最强反射波长，从而直接计算出材料的厚度，甚至无需已知材料的折射率。

其核心物理基础在于光的色散现象，即光的波长与其在介质中传播速度以及聚焦位置的关系。简单的距离-波长关系可以表示为：Z = f(λ)，其中Z是测量距离，λ是探测到的波长。对于多层材料，传感器能识别出不同层界面的多个峰值波长，通过计算它们之间的距离差来确定各层厚度。

核心性能参数的典型范围： * 分辨率：通常可以达到纳米级（例如1nm）。 * 精度：最高可达亚微米级（例如±0.01μm）。 * 采样频率：高可达数万赫兹（例如33,000Hz），实现高速在线测量。 * 厚度测量能力：可测量薄至几微米（例如5μm）的材料，甚至更厚。

技术方案的优缺点： * 优点： * 非接触：避免对电池材料造成损伤。 * 高精度与高分辨率：满足电芯制造的严苛要求。 * 多材质适应性：能稳定测量金属、涂层等多种材质，包括电池极片和隔膜。 * 多层测量能力：单次测量可识别多层介质，尤其适合测量复合材料和透明材料的厚度。 * 抗干扰性强：对被测物表面颜色、粗糙度变化不敏感。 * 可测量倾角：能适应一定角度倾斜的表面测量。 * 缺点： * 测量范围相对有限，需要选择合适量程的探头。 * 对安装环境的稳定性（如振动）有一定要求。 * 光斑尺寸可能需要根据具体应用进行优化。

影像式测量技术

影像式测量技术主要通过高精度图像识别来获取尺寸信息，类似于给物体拍一张非常精准的照片，然后通过分析照片来量尺寸。

工作原理与物理基础： 这种技术通常采用远心光学系统和高速线阵相机。当物体经过测量区域时，设备会发射一束平行的背光穿透物体，并在另一侧通过远心镜头接收物体投射的清晰阴影。远心镜头的作用在于，无论物体距离镜头远近，其成像大小都不会改变，从而保证了测量的稳定性。高速线阵相机则会连续、快速地捕捉这些阴影轮廓的像素数据。通过复杂的图像处理算法，系统能够精确识别出物体的边缘，并根据像素点的数量和校准值，计算出物体的外形尺寸，包括长度、宽度和厚度。

核心性能参数的典型范围： * 测量精度：可达亚微米级（例如±0.5 µm），重复精度可达±0.15µm。 * 测量范围：从微米到毫米级，例如0.01至120 mm。 * 测量速度：非常快，可达每秒数千次（例如最快1800次/秒），适合在线高速检测。

技术方案的优缺点： * 优点： * 非接触：不损伤被测物。 * 高速测量：特别适合在线、高速的批量检测。 * 一次多维测量：可同时测量物体的多个尺寸特征（如长、宽、厚度等）。 * 抗振性好：对产线振动不敏感，测量稳定。 * 缺点： * 主要测量物体外形尺寸，难以穿透测量内部结构或透明材料。 * 对物体的表面纹理、颜色变化敏感度较低，但对边缘识别精度要求高。 * 设备成本相对较高。

电容式测量技术

电容式测量技术利用电容随距离变化的特性进行高精度位移测量，它就像一个高灵敏度的“电子尺”。

工作原理与物理基础： 该技术基于平行板电容器的原理。一个电容式传感器探头和一个被测物体（如果是导电体）或者一个固定的参考极板（如果被测物是绝缘体，则夹在两个探头之间）构成一个电容器。当被测物体与探头之间的距离发生微小变化时，电容器的电容值也会随之改变。 电容 C、极板面积 A、介电常数 ε 和极板间距离 d 之间的关系为：C = ε * A / d。 传感器控制器会精确地测量这种微小的电容变化，并将其转换为电压信号。经过精密校准后，这个电压信号就能准确地反映出探头与被测物体之间的距离。要测量物体的厚度，通常会采用“对射式”配置，即在被测物体两侧放置两个对置的电容传感器，分别测量各自到物体表面的距离，然后通过相减计算出物体的厚度。

核心性能参数的典型范围： * 分辨率：可达到极高的纳米级甚至亚纳米级（例如0.4 nm）。 * 测量范围：通常较小，从几十微米到几毫米（例如0.05 mm至10 mm）。 * 线性度：非常高，通常小于±0.25% FSO（满量程）。 * 带宽：响应速度快，最高可达20 kHz。

技术方案的优缺点： * 优点： * 极高分辨率和稳定性：能够实现纳米级的精密测量。 * 非接触：不会损伤被测物。 * 响应速度快：适用于需要快速反馈的应用。 * 适用于导电和非导电材料（通过不同配置）。 * 缺点： * 测量范围相对较小，不适合大范围厚度变化。 * 对环境湿度和温度变化比较敏感，可能影响测量精度。 * 对射测量时，两个探头需要极其精确的对准，安装和校准复杂。 * 传感器易受灰尘和杂质影响，需保持洁净环境。

激光三角测量技术

激光三角测量技术是一种经典的非接触式光学测量方法，通过激光束在物体表面的投影和光电探测器的位置变化来确定距离。

工作原理与物理基础： 传感器发射一束集中的激光，投射到被测物体表面，形成一个细小的光点。当物体表面位置发生变化时，这个光点的位置也会相应移动。传感器内部的高分辨率相机或位置敏感探测器（PSD）会从一个特定的角度捕获这个光点。由于激光器、被测光点和探测器之间形成一个几何三角关系，通过测量光点在探测器上的位置变化，结合预设的几何参数，就可以根据三角函数关系精确计算出物体表面的距离或轮廓。 简化原理：距离 = f(光点在探测器上的位置)，其中f是一个由三角几何关系确定的函数。 要测量物体的厚度，通常也需要采用双探头对射的配置，即在被测物体的上下两侧各放置一个激光三角传感器，分别测量到两个表面的距离，然后相减得到厚度。

核心性能参数的典型范围： * 分辨率：可达亚微米级（例如0.1 µm）。 * 精度：通常在几微米级别。 * 测量范围：从几十微米到几百毫米，例如0.1 mm至100 mm。 * 测量频率：最高可达10 kHz。

技术方案的优缺点： * 优点： * 非接触：不损伤被测物。 * 测量速度快：适用于在线实时监控。 * 结构紧凑：易于集成到现有生产线。 * 可测量多种材料：对漫反射表面有较好适应性。 * 缺点： * 受表面特性影响：被测物体的颜色、光泽度、粗糙度等会影响测量结果，尤其对镜面或透明材料测量困难。 * 受倾角限制：当被测表面倾斜角度过大时，反射光可能无法被探测器捕获，导致测量失效。 * 光斑尺寸：光斑大小会影响测量精度和对细节的捕捉能力。

(2) 市场主流品牌/产品对比

在电芯厚度测量领域，全球范围内有多个知名品牌提供高性能的解决方案。

• 日本基恩士 (采用影像式测量技术) 日本基恩士在自动化传感器和测量领域居于全球领先地位。其影像式测微仪产品，如TM-X系列，以其卓越的易用性、高精度和高可靠性而闻名。该系列产品能提供高达±0.5 µm的测量精度，测量范围可覆盖0.01至120 mm，并且具备最快1800次/秒的测量速度。这些特点使得日本基恩士的影像式测微仪非常适合在电芯生产线上进行非接触、高速的极片外形尺寸和厚度批量检测，能够很好地应对生产环境中的挑战。

• 英国真尚有 (采用光谱共焦测量技术) 英国真尚有在精密测量领域也有深厚积累，其EVCD系列光谱共焦传感器产品致力于提供高精度、非接触式解决方案。该系列传感器分辨率最高可达1nm，线性精度最高可达±0.01%F.S.，采样频率最高可达33,000Hz。其优势在于能够稳定测量金属、陶瓷、玻璃、镜面等多种材质，甚至无需已知折射率即可直接测量透明材料厚度，并具备单次测量最多可识别5层不同介质的多层识别能力，这对于电芯极片和隔膜的厚度一致性以及涂层均匀性测量具有独特优势。

• 德国米铱 (采用电容式测量技术) 德国米铱是高精度电容位移传感器领域的领导者。其capaNCDT系列产品以极高的分辨率和稳定性著称，分辨率可达纳米级（例如0.4 nm），测量范围从0.05 mm到10 mm不等。这些传感器具有非接触、高线性度（< ±0.25 % FSO）和快速响应（带宽最高20 kHz）的特点。德国米铱的产品特别适用于对电芯及极片厚度有极致精度要求的精密测量，其非接触特性减少了对电芯材料的潜在损伤，并能进行快速的在线质量控制。

• 奥地利盟博 (采用激光三角测量技术) 奥地利盟博专注于高精度、非接触式光学厚度和宽度测量系统。其ORC系列传感器利用激光三角测量原理，提供高性能的测量解决方案。这些传感器的分辨率可达0.1 µm，精度最高可达±0.5 µm，测量频率最高可达10 kHz，测量范围从0.1 mm到100 mm。盟博的产品结构紧凑，易于集成到现有生产线中，对于电芯卷料或单片材料的厚度实时监控非常有效，尤其在薄膜、薄板和涂层材料的在线检测方面表现突出。

(3) 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的测量设备是解决电芯厚度一致性问题的关键。以下是一些需要重点关注的技术指标及其选型建议：

• 精度与分辨率

  • 实际意义：精度是指测量结果与真实值之间的符合程度，它决定了测量结果的可靠性。分辨率则是传感器能识别的最小变化量，它决定了传感器对微小厚度差异的敏感程度。

  • 对最终测量效果的影响：如果精度或分辨率达不到要求，即使有厚度偏差，传感器也可能无法察觉，导致不合格产品流入下一环节。例如，目标是±1μm的精度，如果传感器精度只有±2μm，那么就无法有效控制生产质量。

  • 选型建议：对于电芯制造中±1μm的精度要求，应选择精度至少优于±0.5μm，最好能达到±0.1μm甚至更高的传感器。同时，分辨率应选择纳米级，以便能够捕捉到最微小的厚度波动。

• 采样频率/测量速度

  • 实际意义：采样频率表示传感器每秒可以进行多少次测量，直接反映了其捕捉动态变化的能力。

  • 对最终测量效果的影响：电芯的卷绕或叠片过程是高速进行的，如果采样频率过低，传感器可能无法实时、全面地捕捉到所有位置的厚度信息，造成漏检或反馈滞后，无法及时调整生产参数。

  • 选型建议：考虑到生产线的速度，建议选择采样频率在数千赫兹到数万赫兹范围内的传感器（例如10,000Hz以上），以确保对高速运动的极片进行连续、无遗漏的监控。

• 测量范围与光斑尺寸

  • 实际意义：测量范围是传感器能够进行有效测量的距离区间。光斑尺寸是指传感器测量时光束照射到物体表面的有效区域大小。

  • 对最终测量效果的影响：测量范围必须覆盖电芯材料的标称厚度及其允许的偏差范围。光斑尺寸则影响测量的精细程度：光斑过大可能“平均”掉局部微小缺陷，导致漏检；光斑过小则可能对材料表面的微观粗糙度过于敏感，增加数据噪声。

  • 选型建议：根据极片和隔膜的实际厚度选择合适的测量范围。光斑尺寸应根据需要检测的最小缺陷尺寸来确定，通常在几微米到几十微米之间。

• 多材质适应性与多层测量能力

  • 实际意义：多材质适应性指传感器能否稳定测量不同材质（如金属箔、活性涂层、高分子隔膜）。多层测量能力指能否穿透透明或半透明材料，同时测量多个界面的厚度。

  • 对最终测量效果的影响：电芯由多种不同材料构成，如果传感器只能测量单一材质，则无法全面监测电芯内部的厚度问题。特别是隔膜和涂层，穿透测量能力至关重要。

  • 选型建议：优先选择对多种材质（尤其是电芯中的金属、涂层、高分子材料）均有良好适应性的传感器。更重要的是，应选择具备单探头穿透测量透明材料厚度（如隔膜）和识别多层结构（如涂层极片中涂层与基材）能力的传感器。

• 非接触性

  • 实际意义：测量过程中传感器不与被测物体直接接触。

  • 对最终测量效果的影响：在电芯制造中，极片和隔膜都非常脆弱，任何接触都可能造成划伤、污染或变形，从而影响电池性能甚至引发安全隐患。非接触测量可以避免这些问题。

  • 选型建议：在线厚度检测必须且只能选择非接触式传感器，这是确保电池材料完整性和生产效率的基本要求。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即便选用了最先进的传感器，在实际的电芯生产线上，仍然可能遇到一些挑战。

• 问题1：环境因素干扰（振动、温度、粉尘）

  • 原因与影响：电芯生产线通常伴随着设备的运行振动，可能导致传感器或被测物相对位置发生微小晃动，从而引起测量数据波动，影响精度。环境温度的波动可能导致传感器本身或被测材料发生热胀冷缩，引入测量误差。此外，极片切割、涂布等环节产生的微小粉尘可能会附着在传感器光学窗口或被测表面，阻挡光路，造成测量结果漂移甚至失效。

  • 解决建议：

    • 振动：传感器应安装在稳固的机械结构上，并通过减震垫或减震支架进行物理隔离，减少振动传递。

    • 温度：选择具有良好温度稳定性的传感器，并确保测量环境的温度保持恒定。对关键区域进行局部温控。

    • 粉尘：选用防护等级高的传感器探头（如IP65），定期用无尘布和专用清洁剂清洁探头光学窗口。在易产生粉尘的工位，可设置局部洁净空间或配置空气吹扫装置，清除测量区域的粉尘。

• 问题2：被测物表面特性变化（颜色、光泽度、粗糙度、倾斜）

  • 原因与影响：不同批次或不同型号的极片，其涂层颜色、表面粗糙度可能存在差异。有些材料可能具有高光泽度或半透明特性。此外，极片在高速传输过程中可能存在轻微的倾斜或翘曲。这些表面特性的变化，特别是对于依赖反射光或图像识别的传感器，可能会导致反射光信号不稳定、图像识别困难，进而影响测量结果的准确性和稳定性。

  • 解决建议：

    • 颜色/光泽度/粗糙度：优先选择对表面颜色和粗糙度不敏感的测量技术，例如光谱共焦传感器在这方面表现优异。对于高光泽表面，可考虑采用特殊光学设计或调整入射角度。

    • 倾斜/翘曲：选择具有较大倾角测量能力（例如可测倾角±20°甚至更高）的传感器。同时，优化产线机械传动和张力控制系统，确保极片在测量区域尽可能平整和稳定。多点测量或线扫描方式也能更好地应对局部不平整。对于具有更大倾斜角度的表面，可以选择特殊设计的光谱共焦传感器，其最大可测倾角可达±45°。

• 问题3：数据处理与系统集成挑战

  • 原因与影响：高采样频率意味着海量的测量数据需要实时处理和分析。如果数据处理能力不足或软件算法不成熟，可能导致数据反馈滞后，无法及时纠正生产过程中的厚度偏差。此外，将传感器数据与现有的生产管理系统（MES）或自动化控制系统（PLC）无缝集成，往往需要复杂的通讯协议和定制化开发，增加了系统实现的难度和周期。

  • 解决建议：

    • 数据处理：选用具备高性能控制器和强大内置数据处理功能的传感器，能够直接进行高斯滤波、中值滤波、TTV、LTW等实时分析，减轻上位机负担。

    • 系统集成：选择支持多种标准通信接口（如以太网、Modbus TCP等）和I/O接口的传感器，便于与现有系统对接。利用传感器提供的可视化编程工具或SDK，可以大幅缩短开发周期，实现快速集成和定制化控制逻辑。例如，英国真尚有的光谱共焦传感器支持以太网、RS485、RS422和Modbus TCP协议，最多支持10路输入输出，并支持最多5轴编码器同步采集。与经验丰富的设备供应商合作，获取专业的技术支持和集成方案。

4. 应用案例分享

光谱共焦传感器及其类似高精度测量技术在新能源电池制造领域有着广泛而关键的应用：

• 极片涂布厚度在线检测：在极片涂布活性物质并烘干后，传感器可以对极片进行连续扫描，实时监测涂层的厚度一致性，确保活性物质分布均匀，避免局部过薄或过厚，这对电池的容量和循环寿命至关重要。英国真尚有的光谱共焦传感器可稳定测量金属、陶瓷等多种材质，适用于此环节。

• 隔膜厚度一致性监控：在隔膜卷绕或叠片前，传感器能对隔膜进行全幅面厚度测量，精确控制隔膜厚度偏差，防止过薄导致安全隐患（如短路），或过厚影响电池能量密度。

• 电芯堆叠/卷绕过程中的层间间距与总厚度控制：在多层极片和隔膜堆叠或卷绕成电芯的生产环节，传感器能实时监测每一层材料的厚度及其累计总厚度，确保电芯整体尺寸精度符合设计要求，有效控制内部结构稳定性，减少后续封装和使用的潜在问题。英国真尚有的光谱共焦传感器单次测量最多可识别5层不同介质，适用于复合材料分析，能有效控制内部结构稳定性。