锂电池极片面密度测量技术“新风暴”

摘要

曼恩斯特发布空气耦合超声波面密度测量仪，通过自研多层弹性介质中传播投射衰减算法技术，实现以空气为传播介质的新型无损检测，填补了国内的技术空白。

2023年，中国新能源汽车市场出现两大市场变化。

一方面，中国新能源汽车市场渗透率已连续4个月超过30%，1-8月新能源汽车市占率达到29.5%，断层式引领全球汽车电动化转型。

另一方面，由于前两年爆发式快速增长，2023年中国新能源汽车市场增速开始放缓，动力电池及产业链整体呈现结构性过剩状态，储能市场开始接棒成为锂电池需求高增速应用场景。与此同时，中国锂电产业链加速走向海外，开拓更广阔的市场。

在此背景下，锂电企业展开的新一轮竞争，也更聚焦在产品性能（安全性、能量密度、快充等）的提升以及降低成本（提升制造效率、供应链管控）的思路上。

作为锂电池性能提升、增益降本的支撑后盾，锂电智能装备企业在技术、工艺创新的道路上也在持续进化。

电池制造的每个工序步骤都涉及许多工艺和性能变量，其中，电芯性能好坏60%-80%取决于涂布后极片性能好坏，而在锂电池极片的生产过程中，通常会因为极片涂覆面密度不均匀、厚度一致性差、极片边缘轮廓异常等严重影响锂电池的整体性能。

因此在生产过程中必须对极片质量进行严格检测，这意味着锂电池极片测量设备在锂电池生产过程中尤为重要。

高工锂电注意到，国产涂布模头龙头企业曼恩斯特近期重磅推出了“超声波面密度测量仪”产品，作为国内首套采用空气耦合技术的超声波面密度测量仪产品，具备高安全、高精度、干湿膜检测、多种物质检测、与制膜或涂布面密度的全自动闭环系统深度融合等五大优势。

极片面密度测量技术“新风暴”

极片涂布是影响电池安全、性能、制造成本的核心工艺之一，在生产过程中，涂层面密度作为电池设计的关键参数，因此，正负极片面密度检测成为极片涂布质量的重要衡量。

目前在涂布领域中市面上存在的在线非接触式厚度面密度测量产品有：红外测厚、射线测厚、激光测厚、涡流测厚、超声波测厚等。

从应用痛点来看，红外测厚很难对不透明的材料实施测量；射线测厚有辐射，需要到环保部门备案；激光测厚主要测的是厚度，不检测面密度；涡流测厚不稳定，容易受到外部环境的干扰等。

为解决锂电极片面密度所存在的问题，曼恩斯特自主研发出空气耦合超声波面密度测量仪，成为国内首家成功研发此类产品的公司。

对比设备参数指标来看，传统x/β射线测厚产品测量范围约在10-1000 g/㎡，扫描速度约在0到24m/min，重复测量精度在±0.05%，测量响应时间<1ms，相关性R2>99%，并且存在辐射损害。

曼恩斯特超声波测厚产品测量范围达到0-4000 g/㎡，扫描速度可达0-25m/min，重复测量精度达0.039%，测量响应时间约600-700hz，相关性R2≥99.5%，且无辐射损害。

超声波一般指高于20000Hz以上频段的弹性振动，超声波检测是指利用超声波与检测件的相互作用，对反射、透射和散射的回波进行分析，从而对工件进行宏观缺陷、几何特性、组织结构和力学性能等方面的检测和表征的无损检测技术。

超声波面密度测量的原理是，当声波穿透介质时，一部分声波会被介质吸收，导致穿透后的声波比入射声波在强度上有衰减，衰减的比例与介质面密度呈负指数关系。也就是说，通过检测穿透的声波强度的衰减，可以推算介质的面密度。

超声波极片检测的优势在于：

一是，由于测量原理不同，超声波测厚可以直接测得锂电极片的净涂量。而传统的射线透射法测量，需要使用总重扣减的方式获得净涂量。

二是，缺陷定位准确，超声波的声束在介质中沿直线传播，具有良好的指向性，更容易确定缺陷的位置，检测灵敏度高。

三是，由于波长较短，超声波具有较强穿透力，适用的材料范围广，尤其是当前锂电新材料涌现，超声波面密度测量仪对检测物基本无局限性。

四是，在连续涂布、间歇涂布、多幅涂布以及极片基材区、涂敷区、左右削薄区计算面密度，均可使用超声波面密度测量仪。

五是，高安全、无辐射，无需进行环评审核。

需要指出的是，作为全球领先的无损检测技术之一，超声波检测技术在极片检测应用中也存在较高的技术门槛，如：

1、超声波在空气中传播衰减严重，通常需要在超声探头与被测物之间添加液体、固体耦合介质形成更好的传播，而添加耦合剂有可能会对涂层造成污染或损害。

2、超声波的本质是介质粒子的机械振动以波的形式进行传播，容易受到外界干扰，采集的信号不稳定。

3、超声波信号在采集和传输过程中，衰减大、信噪比降低，从而影响目标信号的检测与识别性能。

4、由于介质粒子本身的热运动的宏观表现就是温度，热运动会影响介质粒子之间的相互作用力，因此，环境温湿度也会对测量结果存在影响等等。

正是因为困难重重，此前国内锂电领域尚未出现超声波面密度测量仪商业化产品。

曼恩斯特发布的国内首套自主研发的空气耦合超声波面密度测量仪，通过自研多层弹性介质中传播投射衰减算法技术，实现以空气为传播介质的新型无损检测，填补了国内的技术空白。

空气耦合超声检测技术是一种以空气作为耦合介质的新型非接触的超声无损检测方法。发布锂电行业第一款空气耦合超声波面密度测量仪，也意味着曼恩斯特将开启锂电极片面密度测厚领域新的技术风暴引领。

曼恩斯特超声波面密度测量仪优势

目前，曼恩斯特已研发出走线式C型架超声波面密度测量仪，O型架超声波面密度测量仪等两款产品。

具体来看，曼恩斯特超声波面密度测量仪拥有五大优势，并解决了目前超声波检测技术在极片检测应用中存在的瓶颈难题。

◆ 高安全性：超声换能器体积小，功耗低，无污染，超声波无辐射，无需耦合剂，无需做环评。

针对超声波在空气中传播衰减难题，曼恩斯特主要采用高精度探测器接收传感器电压，精度达到万分位甚至十万分位，并且对接收到的非常小的电压信号进行两级增益放大，同时保证信号的全频率段全量程的线性化不失真。由此也完全解决了需要添加耦合剂进行传播的传统难题。

针对超声波信号在采集和传输过程中信噪比降低痛点，曼恩斯特采用非局部均值滤波(Non-Local Means,NLM)算法，达到良好的滤波效果，实现全波段内去噪并且能够保持超声波的特征。

◆ 高精度：走线精度千分之2，定点精度达千分之0.8；

针对超声波接收信号问题，曼恩斯特从硬件和软件两方面着手，在硬件上，对声波发射模块进行设计开发，保证发射超声波信号的稳定性；对检测系统进行精密设计，采用精密型的机架结构和高精度伺服电机等减少系统本身的干扰。在软件上，优化滤波算法，自主研发数据采集模块，对不稳定的声波接收信号进行处理，确保测量的精度。

◆ 干湿膜检测：超声对物质含水不敏感，且测量精度没变化，既可用于干膜检测、也可用于湿膜检测；

针对温湿度影响，曼恩斯特在设计过程中，采用特定的算法进行温湿度补偿，消除环境温湿度的变化导致的回波强弱变化。同时，曼恩斯特还解决了干膜测厚长达70米的不可控区域，大幅提升了涂布面密度的均匀性。

◆ 多种物质检测：超声波面密度测量仪对检测物无选择性；

目前，电池正极材料在主流三元（含常规、中高镍等）、磷酸铁锂的基础上，新增了纳米级LFP、超高镍三元、三元+LFMP、锰酸锂+LFMP、富锂锰基、钠离子等新型正极材料，负极也出现硅基负极、硬碳等新型材料。由于超声波面密度测量仪对介质无选择性，可满足多种物质检测需求。

◆ 与制膜或涂布面密度的全自动闭环系统深度融合：引入工业物联网功能与全自动闭环系统深度融合，提升面密度的一致性；

曼恩斯特致力于打造智慧涂布解决方案，助力电池企业降本增效，通过与全自动闭环系统的融合，涂布面密度可达0.1%。

◆ 超声波面密度测量仪软件系统：可显示实时测量值，扫描起止位置可选择，数据自动保存，横向、纵向闭环对接，增益可自动调整。

据悉，在C型架超声波面密度测量仪、O型架超声波面密度测量仪基础上，曼恩斯特对于双头、多头等超声波面密度测量仪正在研发中，通过深入推进检测技术的发展，打破国外技术垄断，实现下一个进口替代。

开辟新赛道 持续增强价值壁垒

当前，超声波无损检测技术作为五大常规检测技术之一，被全球赋予高度重视。

随着锂电池大规模生产对于产品良率提高、生产效率提升、生产成本降低等方面愈发看重，进而对在线检测设备的要求不断提高，超声波面密度测量技术在锂电池检测设备行业的市场潜力有望持续释放。

作为国内首套空气耦合超声波面密度测量仪的制造商，曼恩斯特在锂电池检测设备领域的价值也将更加凸显。

目前，曼恩斯特在主力产品涂布模头的创新基础上，先是延伸至锂电前段制浆工序，再到此次超声波面密度测量仪的推出，使其在锂电制造前段构建起一种体系化且难以被超越的竞争壁垒，这也将让曼恩斯特在锂电制造装备领域形成了更强的市场竞争力。

同时，通过底层技术迁移，曼恩斯特也在持续开辟新的竞争赛道。

如超声波检测技术，基于对超声波检测底层技术的掌控，除了锂电领域之外，曼恩斯特超声波检测设备还可应用于薄膜、造纸、钢铁、食品检测等多个领域。

新品矩阵形成的体系化竞争壁垒，让行业看到了曼恩斯特的技术创新实力。不难发现，曼恩斯特持续夯实技术之墙，通过率先实现锂电装备领域的技术进化与产品进化，进而技术迁移开辟新的市场领域，以此在智能装备领域不断衍生构建新的成长价值。

审核编辑：刘清