李喜歌（河南創(chuàng)力新能源科技股份有限公司，河南　新鄉(xiāng)　453000）

基于數(shù)字圖像技術(shù)測量電池集流體的孔隙率的方法研究

李喜歌
（河南創(chuàng)力新能源科技股份有限公司，河南新鄉(xiāng)453000）

孔隙率對電池極板的荷電能力有重要影響，是檢驗(yàn)電池集流體質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。為了減少傳統(tǒng)方法帶來的測量誤差，更有效和便捷的對電池集流體的孔隙率進(jìn)行測量，本文將圖像處理技術(shù)運(yùn)用于測量孔隙率的實(shí)驗(yàn)中，取得了良好的效果。其測定過程是先用電子顯微鏡對集流體進(jìn)行圖像采集，運(yùn)用像素標(biāo)記法對采集圖像的每個點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，然后找任意一個孔隙中的像素所對應(yīng)的RGB值，根據(jù)這個數(shù)值就能夠大概確定孔隙中所有像素的RGB范圍，最后自動進(jìn)行孔隙中所有像素的計(jì)數(shù)和相關(guān)的計(jì)算，這樣就能夠得到孔隙率。

電池集流體；孔隙率；圖像處理技術(shù)

0　引言

目前，電池工業(yè)正處在前所未有的高速發(fā)展與擴(kuò)張時期，特別是新型電池材料、電池工藝與裝備技術(shù)、電極集流體發(fā)展迅速。事實(shí)上，電池性能的改善，一方面有賴于電池材料的改正、電池工藝與裝備技術(shù)的進(jìn)步，同時電池零部件質(zhì)量及其表面處理技術(shù)的提高也有非常重要的作用。電極集流體是電池的重要組成部件，它既是電池活性物質(zhì)的載體，同時又是電極的導(dǎo)電骨架，起到集中傳導(dǎo)電子，均勻分配電流的作用。集流體材料的性能對正負(fù)極板、電池的充放電性能和價格成本等都有重大影響。集流體一般采用大比表面的金屬網(wǎng)、穿孔金屬或泡沫金屬，以容納更多的活性物質(zhì)。所以集流體的孔隙率是判定該集流體好壞的一個重要因素。但由于生產(chǎn)條件的關(guān)系，生產(chǎn)出的孔隙往往不一樣大小。因此，電池集流體孔隙率的測量是電池工業(yè)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。

傳統(tǒng)孔隙率的測量方法有照相法、溶液浸泡法、剪紙稱重法，這些方法有各自的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的缺陷，這些缺陷會使測量結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差［1］。

照相法在照相底板上顯影，定影，從而得到有黑斑點(diǎn)的照片，使孔隙一幕了然。其缺點(diǎn)是需要人工計(jì)數(shù)，操作繁瑣，小而曲折的地方難以發(fā)現(xiàn)。

剪紙稱重法是將做好的圖打印出來，稱重后進(jìn)行裁剪，將孔隙的地方裁剪出來，稱剩下的質(zhì)量，然后進(jìn)行比較。這種方法簡便可行，但操作繁瑣，實(shí)驗(yàn)誤差較大［2］。

為了消除傳統(tǒng)孔隙率測定方法的影響，本研究采用掃描電子顯微鏡或光學(xué)顯微鏡采集集流體的圖像，通過圖像處理技術(shù)完成對圖像的后續(xù)處理。操作過程簡單，得到的結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。

1　試樣制備

電池集流體為工廠集中生產(chǎn)的某批次產(chǎn)品中的一個，主要成分為鎳。取3*3cm大小的一小塊，放入5%的雙氧水中浸泡5min，除去集流體表層的污漬和碎屑，再放入蒸餾水中浸泡3min，取出后用濾紙吸取水分，干燥，用來制備光學(xué)顯微鏡和電學(xué)顯微鏡的圖像。

2　電池集流體孔隙率的計(jì)算

電池集流體的孔隙率的自動測定的流程為：試樣處理—圖像采集—特征測量—孔隙率數(shù)據(jù)。得到試樣采集照之后，可以得到利用程序知道電池集流體的特征屬性。本研究與傳統(tǒng)方法不同的是沒有人工計(jì)數(shù)，得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確。

2.1電池集流體圖像的采集

為了消除實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差性，我們隨機(jī)從處理好的碎片中隨機(jī)抽取1個進(jìn)行取樣統(tǒng)計(jì)。將樣品放在電子顯微鏡下進(jìn)行取樣，根據(jù)孔隙的大小分布分別選擇不同的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)太大就會漏掉大尺寸的孔隙，太小就會忽略點(diǎn)微小的孔隙，不能完全表達(dá)電池集流體的孔隙分布狀況。本實(shí)驗(yàn)采集所得的圖像見圖1。

圖1　掃描電鏡放大圖片

2.2圖像處理技術(shù)的原理

在掃描電鏡對樣品拍照的時候，孔隙的地方背景是導(dǎo)電膠帶，取色的時候可以保證顏色值完全一致。比如：取圖1中孔隙中（260，437）像素點(diǎn)的RGB值為（81，81，81）。當(dāng)在程序中選定孔隙中的像素點(diǎn)，程序就會根據(jù)所選點(diǎn)的RBG值和所控制的閾值來確定下一步要取得的像素點(diǎn)的RGB值的范圍，最后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，得到所求的孔隙率。其程序的工作原理為：圖像包括多個區(qū)域，每個區(qū)域代表一個孔隙，需要通過標(biāo)記把它們分別提取出來。區(qū)別圖像每個區(qū)域的簡單而有效地方法就是檢驗(yàn)的像素點(diǎn)的RGB值和其他像素點(diǎn)的RGB的相似程度及他們的連通性。所以采用像素標(biāo)記法進(jìn)行測定［3］。

像素標(biāo)記法實(shí)際上就是將不同的區(qū)域各像素點(diǎn)標(biāo)記上不同的記號，像素點(diǎn)RGB值相近的標(biāo)記為同一記號，RGB值不同的標(biāo)記為不同記號。

完成了對不同像素點(diǎn)的標(biāo)記之后，像素點(diǎn)被標(biāo)記成（1—N），這樣N就是整個像素點(diǎn)的個數(shù)，然后可以計(jì)算出符合RGB值范圍內(nèi)的像素點(diǎn)的個數(shù)為M，則孔隙率P=M/N。

2.3圖像處理技術(shù)的使用過程

（1）打開需要的測定孔隙率的掃描電鏡圖片，

（2）選取孔隙中的某一點(diǎn)作為參考，并調(diào)整合適閾值。（3）經(jīng)過統(tǒng)計(jì)得出最后結(jié)果。

（4）經(jīng)計(jì)算可得該電池集流體孔隙率為31.81%。

3　方法討論

這類方法不僅適用于掃描電鏡所拍攝的灰黑圖片（R值、G值、B值完全相同相同）的情況下，還可適用于光學(xué)顯微鏡所拍攝的彩色圖片，如圖3所示，在使用光學(xué)顯微鏡拍攝的圖片時，方法與上述完全一致，為了得到好的取色結(jié)果，我們可以在拍攝的時候在樣品下面加一個黑色的背景物，以保證孔隙的地方取色一致，得到的結(jié)果如下圖3。

圖2　掃描電鏡計(jì)算結(jié)果

這里需要注意的是，孔隙率的具體數(shù)值和圖像采集的區(qū)域有很大關(guān)系，對試樣的不同區(qū)域進(jìn)行圖像采集后計(jì)算結(jié)果是不同的。由于本方法采用自動計(jì)數(shù)，避免了人工計(jì)數(shù)所帶來的人為誤差。而且程序會自動掃描圖像上的所有像素點(diǎn)，不會漏掉任何細(xì)小的孔隙，因此計(jì)算孔隙率的準(zhǔn)確率較高。本方法的誤差主要來自閾值對程序計(jì)算的不同影響，和小孔隙的RGB值得影響［4］。

4　結(jié)論

通過自行開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序，電池集流體孔隙率的測定實(shí)現(xiàn)了簡單化、自動化，準(zhǔn)確化的發(fā)展，避免了由于人工誤差所帶來的影響。操作方法多樣化，不僅適用于大型儀器（如掃描電鏡）所拍攝的圖像，還適用于手機(jī)這種小型儀器拍攝的圖像，所以此方法有較高的實(shí)用型。

［1］秦襄培，劉洪濤.圖像技術(shù)在鍍層孔隙率測定上的應(yīng)用［J］.湖北：材料保護(hù)，2005（09）：70-72.

［2］王靜.基于圖像處理的植物葉片面積測量方法研究［J］.山西：山西師范大學(xué)學(xué)報，2014（09）：49-52.

［3］章敏晉.圖像處理技術(shù)和分析（第一版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999.

［4］郭東萍.金屬防腐化學(xué)鍍層孔隙率的測定及其影響因素實(shí)驗(yàn)研究［D］.河北科技大學(xué)，2014（05）.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.242

李喜歌（1983-），本科，助理工程師，研究方向：化學(xué)工程與工藝，電化學(xué)方向。