CN109891185A - 用于电池材料的测厚仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够测量诸如电极、隔膜等这样的薄形状材料的厚度的测厚仪，该测厚仪包括：传感器，该传感器包括在真空的作用下后退的球形传感器端头，作为用于测量长度变化的电感式传感器，其中，最大的测量距离变化为4mm，最大的测量误差为测量变化的0.01％或更小并且最大值为0.4μm或更小，测量力为0.75N，并且取决于距离的增量为0.08N/mm；底部端头，该底部端头以样品为基准而位于所述传感器端头的相对侧并且具有球形表面，以便支撑样品；减压单元，该减压单元包括泵、电机、电源单元和能够施加用于使样品端头后退的恒定减压的控制单元；主体，该主体在顶表面处具有能够被放置样品的表面并且底部端头位于其中部处；以及固定部，该固定部位于主体的侧表面上并且被固定有传感器，以便测量样品的厚度。本发明提供了用于应对电池的薄化的高精度和高准确度的测量值。

Description

用于电池材料的测厚仪

技术领域

本发明涉及用于测量电池材料的厚度的设备，更具体地，涉及能够以高精度和高准确度测量诸如正极、负极和隔膜这样的二次电池材料的厚度的设备。

背景技术

随着近来诸如智能电话、笔记本、平板PC、便携式游戏机这样的便携式装置的重量减轻和功能增加的进步，对作为驱动电源的二次电池的需求正在发生变化。虽然过去使用的是镍-镉电池、镍-氢电池、镍-锌电池等，但是目前最流行的是具有高工作电压和每单位重量的能量密度高的锂二次电池。近年来，它们的材料正在减薄，以进一步增加能量密度。

通过将含有正极活性材料或负极活性材料和粘合剂的膏涂覆到诸如铝或铜薄膜这样的集流器的表面上，然后将它进行压缩并干燥等来制造锂二次电池的电极。通过混合无机颗粒、粘合剂等，将所得混合物涂覆到聚合物基板的至少一面上，然后将它进行干燥等来制造隔膜。

如果没有涂覆均匀厚度的诸如电极或隔膜这样的电极材料，则会出现诸如电流容易在充电和放电期间集中在厚的部分上以及在相对薄的部分处出现短路这样的问题。因此，对涂覆电极材料至均匀厚度的质量控制是确定电池的稳定寿命的重要因素。

在集流器本身、涂覆活性材料之后以及在涂覆隔膜之后等各种处理期间，测量电极材料的厚度。为了对产品进行质量控制，厚度测量应该满足准确度和精度这两个标准。测量时超过或低于标准的材料应该被视为有缺陷，并且从制造过程中剔除这些材料。近年来，由于诸如智能电话这样的使用二次电池的产品减薄，需要比过去更高的准确度和精度，并且厚度正逐渐成为产品故障的原因。

非专利文献0001(TESA-μHITE产品目录(http://www.tesatechnology.com/en-gb/products/tesa-％C2％B5hite-f170.htm#.WKIpqTuLSUk)涉及了μHITE(由TESA公司制造的用于测量高度(厚度)的设备)。该设备是用于测量电极材料的厚度的常规设备中的一种。该设备能够测量低至100mm，准确度达±1μm。它的测量压力为0.63N。用于测量样品厚度的接触表面的两面是平坦的。该设备存在的问题是不能够校正测量误差并且它没有提供足以满足当前减薄要求的准确度和精度。

使用非专利文献0001的设备和标准厚度为100、150、200、500、1000和1500μm的标准样品进行九次测量，获得如表1中所示的以下量规偏差和量规线性度。相关的测量结果如图1中所示。

[表1]

非专利文献0001的设备表现出取决于测量对象的高达1.75μm的偏差。对量规R&R结果的分析表明输出超过了30％的可接受水平(表2)。因此，发现该设备不适用于最近的减薄技术。

[表2]

条目	可接受水平	量规R&R结果
			％研究变化	≤30％	38.18％
％容差	≤30％	43.66％
			不同类别的数目	≥4	3
％贡献	-	14.58％
			％重复性	-	7.22％
％再现性	-	7.36％

此外，非专利文献0001的技术的现场应用结果表现出取决于测量场所和测量器的1～1.5μm、0～3.5μm和1.2～4.7μm的偏差，尽管使用的是100μm的相同标准样品。这些偏差意味着，当确定了产品的缺陷率时，由偏差引起的误差可以为30％或更大。这超过了可接受的质量控制水平。因此，非专利文献0001不足以应用于电极的未来开发和制作，并且需要改进。

专利文献0001(日本专利申请公开No.2000-337859)涉及用于测量片状电极的厚度的方法和设备。它的目的是提供通过避免或最小化表面状态的影响和片状电极的变形、测量期间的振动等以高精度测量厚度的方法和设备。

在专利文献0001中，片状电极1被布置在其相对两面上的一对辊5、5'按压，并且使分别垂直地面对被按压区域内的片状电极1的一面的一对接触式位移传感器2、3在恒定压力下邻接片状电极1，并且测量片状电极1的厚度。该测量设备的发明的特征还在于，它设置有：运行机构4，该运行机构4用于运行片状电极1；一对接触式位移传感器2、3，在该对接触式位移传感器2、3之间插置有由运行机构4运行的片状电极1并且分别垂直地布置在片状电极1的一面上；以及多个成对的压辊机构5、5'，所述多个成对的压辊机构5、5’与接触式位移传感器2、3相邻并且被可滑动地布置以按压片状电极1。这里，压辊机构5、5'相对于接触式位移传感器2、3可滑动地布置在前位置、后位置、右位置和左位置中的至少一个处。

专利文献0001用于连续地测量通过辊连续移动并排出的片状电极的厚度。因为它使用设置在片材两侧的位移传感器的相对电位值来测量厚度，所以这使得即使排出的片材稍微上下移动，也能够获得稳定的值。然而，它并没有公开本发明所寻求的用于以高精度和高准确度进行测量以满足减薄要求的具体方法。

专利文献0002(日本专利申请公开No.2006-153732)涉及用于测量膜厚度的接触式设备及其使用方法。它的目的是提供能够恒定地精确测量预定区域的平均膜厚度的用于测量膜厚度的接触式设备，而不考虑片状电极构件上的电极材料层的表面形状和构成材料。为此，专利文献0002的设备被配备有包括平坦表面的平面板和包括平坦接触表面的测量装置。将薄膜构件夹在平面板的表面和测量装置的接触表面之间，并且测量薄膜构件的厚度。至少平面板的安装表面由陶瓷制成。

用于测量厚度的传感器的接触部通常具有探针形状，但是在这种情况下，可以根据待测量的表面的粗糙度来测量细小部分的变形部分。在这种情况下，可能出现与实际值的差异大的测量误差。为此，专利文献0002将测量探针的端部变成平坦形状，以测量平均值。尽管专利文献0002提出了用于减少测量中的详细误差的方法，但是它并没有提供本发明所寻求的用于以高精度和高准确度测量厚度的具体方法。

专利文献0003(日本专利申请公开No.2016-225119)涉及用于测量电极板的厚度的方法。它的目的是提供用于以高精度测量电极板的厚度的方法。为此，专利文献0003执行：基准检测处理，其用位移传感器检测基准表面上的多个基准检测点的基准指标值；基准平均计算处理，其计算指示通过将基准表面校正成平面而获得的虚拟基准平均表面与第一基准检测点之间的距离的基准差值；以及电极检测处理，其用位移传感器检测电极板上的电极检测点的电极指标值，并且同时基于第一基准检测点的基准指标值和电极指标值来计算指示第一基准检测点与所述电极检测点之间的差值的基准电极差值。另外，用基准差值与基准电极差值之和计算移位量。然后使用该移位量来计算电极板厚度的测量值。

专利文献0003使用激光位移传感器来测量多个检测点的值。测量不带电极的样品的厚度和带有电极的样品的厚度。然后，使用这些值之间的相对差值来确定电极的厚度。然而，专利文献0003并没有公开本发明所寻求的用于以高精度和高准确度测量厚度的具体方法。

传统技术仅描述了通过物理接触来测量距离或者使用超声波、激光等来测量距离的一般原理，而没有提供能够确保高准确度和高精度的实际方法。特别地，可以看出，目前在本领域中使用的非专利文献0001的技术并没有提供满足当前电极减薄需求的技术。

发明内容

技术问题

如上所述，本发明的目的是提供用于以高精度和高准确度测量电池材料的厚度以满足当前二次电池减薄需求的方法。

技术方案

为了实现以上目的，本发明的第一方面提供了一种能够测量诸如电极和隔膜这样的用于电池的薄型材料的厚度的厚度测量设备，该厚度测量设备包括：电感式传感器，该电感式传感器用于测量长度变化，其中，最大的测量距离变化为4mm，最大的测量误差为测量变化的0.01％或更小并且为0.4μm或更小，测量力为0.75N，每距离增量的测量力增量为0.08N/mm，并且所述传感器包括传感器端头，所述传感器端头具有球形表面并且在真空的作用下缩回；底部端头，该底部端头以样品为基准而位于所述传感器端头的相对侧，以便支撑所述样品并且具有球形表面；减压单元，该减压单元包括能够施加恒定的减压以使所述传感器端头缩回的泵、电机、电源和控制单元；主体，该主体具有能够放置所述样品的顶表面，并且所述底部端头位于所述主体的中部处；以及固定单元，该固定单元位于所述主体的侧表面上并且所述传感器被固定到所述固定单元以测量样品的厚度。

本发明的第二方面提供了一种厚度测量设备，该厚度测量设备还包括：显示单元，该显示单元用于显示用所述传感器测得的值；以及输出单元，该输出单元用于输出显示在所述显示单元上的测量值。

本发明的第三方面提供了一种厚度测量设备，其中，所述底部端头和所述传感器端头由树脂或金属制成。

本发明的第四方面提供了一种厚度测量设备，其中，所述控制单元包括能够手动地或周期性自动地提供恒定的减压的模式。

本发明的第五方面提供了一种厚度测量设备，其中，所述真空使得由于真空单元的减压而引起的测量误差为±0.1μm或更小。

本发明的第六方面提供了一种使用所述厚度测量设备来测量用于电池的薄型材料的厚度的方法。

本发明的第七方面提供了一种用于辨别用于电池的薄型材料的缺陷的方法，该方法包括以下步骤：1)使用根据第一方面至第五方面中的任一项所述的厚度测量设备来测量用于电池的薄型材料的厚度；以及2)将步骤1)中测得的值与预定基准值进行比较，以确定所述材料是否有缺陷。

附图说明

图1示出了使用传统的厚度测量设备(非专利文献0001)来测量标准量规块(100、150、200、500、1000和1500μm)的厚度的结果。

图2示出了使用本发明的厚度测量设备来测量标准量规块(100、150、200、500、1000和1500μm)的厚度的结果。

图3是说明由于探针和平面板的形状引起的测量误差的示意图。

图4示出了根据减压的测量值变化的结果。

图5是根据本发明的测量设备的立体图，图6和图7示出了其照片。

具体实施方式

下文中，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应该理解，在说明书和所附的权利要求中使用的术语不应该被理解为限于通用含义和字典含义，而是应该以使得发明人能够定义适于最佳说明的术语的原理为基础基于与本公开的技术构思相符的含义和概念来解释。因此，本说明书中公开的实施方式仅仅是本公开的最优选的实施方式，并且它们不代表本公开的整体技术构思，因此应当理解，可以存在在提交本申请时可以替代它们的各种等同物和修改示例。

本发明提供了一种能够测量诸如电极和隔膜这样的用于电池的薄型材料的厚度的厚度测量设备，该厚度测量设备包括：电感式传感器，该电感式传感器用于测量长度变化，其中，最大的测量距离变化为4mm，最大的测量误差为测量变化的0.01％或更小并且为0.4μm或更小，测量力为0.75N，基于距离的测量力增量为0.08N/mm，并且所述传感器包括传感器端头，所述传感器端头具有球形表面并且在真空的作用下缩回；底部端头，该底部端头以样品为基准而位于所述传感器端头的相对侧，以便支撑所述样品并且具有球形表面；减压单元，该减压单元包括能够施加恒定的减压以使所述传感器端头缩回的泵、电机、电源和控制单元；主体，该主体具有能够放置所述样品的顶表面，并且所述底部端头位于所述主体的中部处；以及固定单元，该固定单元位于所述主体的侧表面上并且所述传感器被固定到所述固定单元以测量样品的厚度。

通常用于测量厚度并验证其可靠性的统计手段是在给定条件下执行多次相同测量并且检查其重复性和再现性(量规R&R)。

根据自动化行业行动组(AIAG)的指导方针(2010)(测量系统分析参考手册(第4版))，当测量系统变化小于处理变化(容差)的10％时，该测量系统变化是可接受的。标准被总结如下(表3)。

[表3]

分类	％贡献	％容差	鉴别指标
				可接受	小于1％	小于10％	10或更大
可有条件地接受	1～10％	10～30％	4～9
				不适用	10％或更大	30％或更大	小于4

如对相关技术的描述中所示，非专利文献0001的技术具有43.66％的容差，其不适合用于当前的薄电极材料。为了解决该问题，本发明的发明人使用用于测量厚度的传感器当中的由德国的Mahr GmbH制造的用于膜厚度测量的探针Millimar 1340。该探针的最大的测量距离变化为4mm，该探针的最大的测量误差为测量变化的0.01％或更小，即0.4μm或更小，该探针的测量力为0.75N，并且该探针的每距离增量的测量力增量为0.08N/mm。它包括在真空的作用下缩回的传感器端头。

利用所供应的以上传感器，使用标准厚度为100、150、200、500、1000和1500μm的标准样品进行九次测量，获得以下量规偏差和量规线性度(表4)。相关的测量结果如图2中所示。

[表4]

根据测量对象，出现了高达0.033μm的偏差。因此，发现准确度和线性度非常优异。对量规R&R结果的分析表明输出不到10％，这是可接受的(表5)。因此，确认该设备是可接受的。

[表5]

条目	可接受水平	量规R&R结果
			％研究变化	≤30％	9.70％
％容差	≤30％	14.27％
			不同类别的数目	≥4	14
％贡献	-	0.94％
			％重复性	-	0.83％
％再现性	-	0.11％

此外，使用Mahr GmBH的Millimar C1240M作为显示探针所生成的信号的设备，以指示测量结果。

探针根据以下方法测量厚度：使用手动真空升降机来使传感器端头缩回，放置待测量的样品，并且打开该升降机，使得传感器端头被降低，以便测量厚度。

本发明的发明人初始尝试将使用与传感器一起供应的真空升降机来使传感器端头缩回的方法应用于产品。然而，发现由于测量器和处理的差异，导致测量结果中出现意外错误。特别地，根据本发明的由空气驱动的传感器端头具有以下问题：不仅使传感器端头后退的空气压力根据测量器而变化，而且由于该变化，导致在实际测量值中出现误差。因此，本发明的发明人发明了另外的组件来改善这些问题。

本发明的减压单元包括能够施加恒定的减压以使传感器端头缩回的泵、电源和控制单元。具体地，它包括齿轮传动电机、能够调节电机的速度的速度调节器、用于供电的电源、用于减小压力以使传感器端头缩回的活塞以及能够根据外部开关的选择来控制活塞的移动的可编程逻辑控制器(PLC)。

使用该组件使得由于当在现场应用初始供应的传感器时可能出现的测量器和测量环境的差异而导致的误差能够最小化。

此外，本发明的发明人认识到，通过本发明测量的电极材料中的大多数具有一定程度的弹性，因此即使当将基本上供应的传感器应用于平面板(平面)(参见图3)时，也有可能出现误差。

在通过使用使探针(平面)和平面板(平面)接触的方法(图3中的左侧情况)进行测量的情况下，通过用平面板本身作为底座测量探针的变化值来计算膜的厚度。在这种情况下，膜状样品会变形，这会造成平面板的表面无法与探针紧密接触，从而使测量值大于实际值。另外，由于膜的卷曲程度根据探针的按压力而改变，因此也会出现由此引起的测量误差。也就是说，样品的测量误差包括由于平面板本身的位置引起的误差、由于样品升高引起的误差以及由探针的按压力造成的变形引起的误差。为了实现本发明寻求的高精度和高准确度，需要改进这些问题。

为了解决以上问题，本发明的发明人将用于测量样品的方法改变为图3右侧所示的方法。在这种方法中，探针(球形表面)与平面板(球形表面)接触。这种方法使得通过使用顶部/底部球形表面能够使膜状样品的变形最小化，并且使得球形表面在测量期间能够尽可能近地与样品接触。

在本发明中，具体地测量了由于探针和平面板的压缩程度和球形度引起的测量误差，这些测量误差是基本上供应的传感器的问题。使用150μm的标准量规块来测量精度。使用常规正极材料来执行测量，然后进行量规R&R分析(ANOVA)。准确度测量结果如下所示。

[表6]

根据以上的准确度分析，测试1和测试2获得了最优异的结果。因此，确认了能够在选择球形表面作为顶部端头的表面和底部端头的表面时获得最准确的结果。

用于精度测量的量规R&R分析的结果如下所示。

[表7]

上述结果表明，当顶部端头和底部端头具有球形表面时以及当下降速度慢时，获得最高的精度。

为了建立下降速度(减压程度)的明确标准，本发明人观察到测得值根据下降速度而变化。图4示出了结果。图4中的x轴表示根据减压条件(即，电机的转数)的减压程度。转数越高，减压程度越高。图4中的y轴表示标准样品测量的误差值的范围。如在图4中可以看出的，当手动地操作根据本发明的传感器时，会根据减压程度出现测量误差。因此，仅仅通过减慢下降速度，不能够提高准确度。可以看出，在使用该设备之前，有必要弄清楚不会导致测量误差的减压条件。本发明中使用的传感器的规格表明它实现了非常高的精度和准确度。然而，需要如本发明中一样的高水平的单独细化操作来执行用于辨别缺陷的高精度和高准确度测量。

在根据本发明的实施方式中，当减压条件(电机rpm)为644至805时，不会出现误差。设定值被预先输入到减压单元的控制PLC。基于此，无论测量器如何，本发明都获得了非常精确且一致的值。

此外，根据本发明的测量设备包括：主体，该主体具有能够放置样品的顶表面，底部端头位于主体的中部处，并且在主体内包括减压单元；以及固定单元，该固定单元被设置在主体的侧表面处并且被固定有传感器以测量厚度。图5示出了其立体图。在图6和图7中示出了成品设备的顶表面和固定单元的实际照片。

如上所述，本发明人发现了通过使用各种方法来减小将市面上的传感器应用于电极材料的厚度时的误差和偏差以便满足由于减薄引起的当前高精度和高准确度要求的方式。由此，本发明人开发出了通过改善端头和减压单元等来使误差和偏差最小化并且根据操作者而几乎没有变化的用于测量的设备。它能够显著地提高当前处理中的厚度测量的精度。此外，它能够对缺陷产品应用严格的标准，从而极大地改善了使用电极材料的电池的制造处理。

工业实用性

本发明提供了用于以高精度和高准确度测量通过减薄等而变薄的电极材料的厚度的方法。它实现了高达0.04μm的测量值与9.0％或更小的容差之间的偏差。

Claims (7)

1.一种能够测量诸如电极和隔膜这样的用于电池的薄型材料的厚度的厚度测量设备，该厚度测量设备包括：

电感式传感器，该电感式传感器用于测量长度变化，其中，最大的测量距离变化为4mm，最大的测量误差为测量变化的0.01％或更小并且为0.4μm或更小，测量力为0.75N，每距离增量的测量力增量为0.08N/mm，并且所述电感式传感器包括传感器端头，所述传感器端头具有球形表面并且在真空的作用下缩回；

底部端头，该底部端头以样品为基准而位于所述传感器端头的相对侧，以便支撑所述样品并且具有球形表面；

减压单元，该减压单元包括能够施加恒定的减压以使所述传感器端头缩回的泵、电机、电源和控制单元；

主体，该主体具有能够放置所述样品的顶表面，并且所述底部端头位于所述主体的中部处；以及

固定单元，该固定单元位于所述主体的侧表面上并且所述电感式传感器被固定到所述固定单元以测量样品的厚度。

2.根据权利要求1所述的厚度测量设备，该厚度测量设备还包括：

显示单元，该显示单元用于显示用所述电感式传感器测得的值；以及

输出单元，该输出单元用于输出显示在所述显示器上的测量值。

3.根据权利要求1所述的厚度测量设备，

其中，所述底部端头和所述传感器端头由树脂或金属制成。

4.根据权利要求1所述的厚度测量设备，

其中，所述控制单元包括能够手动地或周期性自动地提供恒定的减压的模式。

5.根据权利要求4所述的厚度测量设备，

其中，所述真空使得由于真空单元的减压而引起的测量误差为±0.1μm或更小。

6.一种用于使用根据权利要求1至权利要求5中的任一项所述的厚度测量设备来测量用于电池的薄型材料的厚度的方法。

7.一种用于辨别用于电池的薄型材料的缺陷的方法，该方法包括以下步骤：

1)使用根据权利要求1至权利要求5中的任一项所述的厚度测量设备来测量用于电池的薄型材料的厚度；以及

2)将步骤1)中测得的值与预定基准值进行比较，以确定所述材料是否有缺陷。