基于數字圖像技術測量電池集流體的孔隙率的方法研究

李喜歌（河南創力新能源科技股份有限公司，河南　新鄉　453000）

基于數字圖像技術測量電池集流體的孔隙率的方法研究

李喜歌
（河南創力新能源科技股份有限公司，河南新鄉453000）

孔隙率對電池極板的荷電能力有重要影響，是檢驗電池集流體質量的一個重要指標。為了減少傳統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行測量，本文將圖像處理技術運用于測量孔隙率的實驗中，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行圖像采集，運用像素標記法對采集圖像的每個點進行標注，然后找任意一個孔隙中的像素所對應的RGB值，根據這個數值就能夠大概確定孔隙中所有像素的RGB范圍，最后自動進行孔隙中所有像素的計數和相關的計算，這樣就能夠得到孔隙率。

電池集流體；孔隙率；圖像處理技術

0　引言

目前，電池工業正處在前所未有的高速發展與擴張時期，特別是新型電池材料、電池工藝與裝備技術、電極集流體發展迅速。事實上，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的進步，同時電池零部件質量及其表面處理技術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的載體，同時又是電極的導電骨架，起到集中傳導電子，均勻分配電流的作用。集流體材料的性能對正負極板、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、穿孔金屬或泡沫金屬，以容納更多的活性物質。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。但由于生產條件的關系，生產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中的一項重要技術。

傳統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點，但也存在一定的缺陷，這些缺陷會使測量結果產生一定的誤差［1］。

照相法在照相底板上顯影，定影，從而得到有黑斑點的照片，使孔隙一幕了然。其缺點是需要人工計數，操作繁瑣，小而曲折的地方難以發現。

剪紙稱重法是將做好的圖打印出來，稱重后進行裁剪，將孔隙的地方裁剪出來，稱剩下的質量，然后進行比較。這種方法簡便可行，但操作繁瑣，實驗誤差較大［2］。

為了消除傳統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顯微鏡采集集流體的圖像，通過圖像處理技術完成對圖像的后續處理。操作過程簡單，得到的結果具有一定的準確性。

1　試樣制備

電池集流體為工廠集中生產的某批次產品中的一個，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，用來制備光學顯微鏡和電學顯微鏡的圖像。

2　電池集流體孔隙率的計算

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—孔隙率數據。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。本研究與傳統方法不同的是沒有人工計數，得到的結果較為準確。

2.1電池集流體圖像的采集

為了消除實驗結果的誤差性，我們隨機從處理好的碎片中隨機抽取1個進行取樣統計。將樣品放在電子顯微鏡下進行取樣，根據孔隙的大小分布分別選擇不同的放大倍數，放大倍數太大就會漏掉大尺寸的孔隙，太小就會忽略點微小的孔隙，不能完全表達電池集流體的孔隙分布狀況。本實驗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）像素點的RGB值為（81，81，81）。當在程序中選定孔隙中的像素點，程序就會根據所選點的RBG值和所控制的閾值來確定下一步要取得的像素點的RGB值的范圍，最后進行統計和計算，得到所求的孔隙率。其程序的工作原理為：圖像包括多個區域，每個區域代表一個孔隙，需要通過標記把它們分別提取出來。區別圖像每個區域的簡單而有效地方法就是檢驗的像素點的RGB值和其他像素點的RGB的相似程度及他們的連通性。所以采用像素標記法進行測定［3］。

像素標記法實際上就是將不同的區域各像素點標記上不同的記號，像素點RGB值相近的標記為同一記號，RGB值不同的標記為不同記號。

完成了對不同像素點的標記之后，像素點被標記成（1—N），這樣N就是整個像素點的個數，然后可以計算出符合RGB值范圍內的像素點的個數為M，則孔隙率P=M/N。

2.3圖像處理技術的使用過程

（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作為參考，并調整合適閾值。（3）經過統計得出最后結果。

（4）經計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，還可適用于光學顯微鏡所拍攝的彩色圖片，如圖3所示，在使用光學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，得到的結果如下圖3。

圖2　掃描電鏡計算結果

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

4　結論

通過自行開發的計算機程序，電池集流體孔隙率的測定實現了簡單化、自動化，準確化的發展，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，還適用于手機這種小型儀器拍攝的圖像，所以此方法有較高的實用型。

［1］秦襄培，劉洪濤.圖像技術在鍍層孔隙率測定上的應用［J］.湖北：材料保護，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：山西師范大學學報，2014（09）：49-52.

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

［4］郭東萍.金屬防腐化學鍍層孔隙率的測定及其影響因素實驗研究［D］.河北科技大學，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：化學工程與工藝，電化學方向。