基于数字图像技术测量电池集流体的孔隙率的方法研究

李喜歌（河南创力新能源科技股份有限公司，河南　新乡　453000）

基于数字图像技术测量电池集流体的孔隙率的方法研究

李喜歌
（河南创力新能源科技股份有限公司，河南新乡453000）

孔隙率对电池极板的荷电能力有重要影响，是检验电池集流体质量的一个重要指标。为了减少传统方法带来的测量误差，更有效和便捷的对电池集流体的孔隙率进行测量，本文将图像处理技术运用于测量孔隙率的实验中，取得了良好的效果。其测定过程是先用电子显微镜对集流体进行图像采集，运用像素标记法对采集图像的每个点进行标注，然后找任意一个孔隙中的像素所对应的RGB值，根据这个数值就能够大概确定孔隙中所有像素的RGB范围，最后自动进行孔隙中所有像素的计数和相关的计算，这样就能够得到孔隙率。

电池集流体；孔隙率；图像处理技术

0　引言

目前，电池工业正处在前所未有的高速发展与扩张时期，特别是新型电池材料、电池工艺与装备技术、电极集流体发展迅速。事实上，电池性能的改善，一方面有赖于电池材料的改正、电池工艺与装备技术的进步，同时电池零部件质量及其表面处理技术的提高也有非常重要的作用。电极集流体是电池的重要组成部件，它既是电池活性物质的载体，同时又是电极的导电骨架，起到集中传导电子，均匀分配电流的作用。集流体材料的性能对正负极板、电池的充放电性能和价格成本等都有重大影响。集流体一般采用大比表面的金属网、穿孔金属或泡沫金属，以容纳更多的活性物质。所以集流体的孔隙率是判定该集流体好坏的一个重要因素。但由于生产条件的关系，生产出的孔隙往往不一样大小。因此，电池集流体孔隙率的测量是电池工业中的一项重要技术。

传统孔隙率的测量方法有照相法、溶液浸泡法、剪纸称重法，这些方法有各自的优点，但也存在一定的缺陷，这些缺陷会使测量结果产生一定的误差［1］。

照相法在照相底板上显影，定影，从而得到有黑斑点的照片，使孔隙一幕了然。其缺点是需要人工计数，操作繁琐，小而曲折的地方难以发现。

剪纸称重法是将做好的图打印出来，称重后进行裁剪，将孔隙的地方裁剪出来，称剩下的质量，然后进行比较。这种方法简便可行，但操作繁琐，实验误差较大［2］。

为了消除传统孔隙率测定方法的影响，本研究采用扫描电子显微镜或光学显微镜采集集流体的图像，通过图像处理技术完成对图像的后续处理。操作过程简单，得到的结果具有一定的准确性。

1　试样制备

电池集流体为工厂集中生产的某批次产品中的一个，主要成分为镍。取3*3cm大小的一小块，放入5%的双氧水中浸泡5min，除去集流体表层的污渍和碎屑，再放入蒸馏水中浸泡3min，取出后用滤纸吸取水分，干燥，用来制备光学显微镜和电学显微镜的图像。

2　电池集流体孔隙率的计算

电池集流体的孔隙率的自动测定的流程为：试样处理—图像采集—特征测量—孔隙率数据。得到试样采集照之后，可以得到利用程序知道电池集流体的特征属性。本研究与传统方法不同的是没有人工计数，得到的结果较为准确。

2.1电池集流体图像的采集

为了消除实验结果的误差性，我们随机从处理好的碎片中随机抽取1个进行取样统计。将样品放在电子显微镜下进行取样，根据孔隙的大小分布分别选择不同的放大倍数，放大倍数太大就会漏掉大尺寸的孔隙，太小就会忽略点微小的孔隙，不能完全表达电池集流体的孔隙分布状况。本实验采集所得的图像见图1。

图1　扫描电镜放大图片

2.2图像处理技术的原理

在扫描电镜对样品拍照的时候，孔隙的地方背景是导电胶带，取色的时候可以保证颜色值完全一致。比如：取图1中孔隙中（260，437）像素点的RGB值为（81，81，81）。当在程序中选定孔隙中的像素点，程序就会根据所选点的RBG值和所控制的阈值来确定下一步要取得的像素点的RGB值的范围，最后进行统计和计算，得到所求的孔隙率。其程序的工作原理为：图像包括多个区域，每个区域代表一个孔隙，需要通过标记把它们分别提取出来。区别图像每个区域的简单而有效地方法就是检验的像素点的RGB值和其他像素点的RGB的相似程度及他们的连通性。所以采用像素标记法进行测定［3］。

像素标记法实际上就是将不同的区域各像素点标记上不同的记号，像素点RGB值相近的标记为同一记号，RGB值不同的标记为不同记号。

完成了对不同像素点的标记之后，像素点被标记成（1—N），这样N就是整个像素点的个数，然后可以计算出符合RGB值范围内的像素点的个数为M，则孔隙率P=M/N。

2.3图像处理技术的使用过程

（1）打开需要的测定孔隙率的扫描电镜图片，

（2）选取孔隙中的某一点作为参考，并调整合适阈值。（3）经过统计得出最后结果。

（4）经计算可得该电池集流体孔隙率为31.81%。

3　方法讨论

这类方法不仅适用于扫描电镜所拍摄的灰黑图片（R值、G值、B值完全相同相同）的情况下，还可适用于光学显微镜所拍摄的彩色图片，如图3所示，在使用光学显微镜拍摄的图片时，方法与上述完全一致，为了得到好的取色结果，我们可以在拍摄的时候在样品下面加一个黑色的背景物，以保证孔隙的地方取色一致，得到的结果如下图3。

图2　扫描电镜计算结果

这里需要注意的是，孔隙率的具体数值和图像采集的区域有很大关系，对试样的不同区域进行图像采集后计算结果是不同的。由于本方法采用自动计数，避免了人工计数所带来的人为误差。而且程序会自动扫描图像上的所有像素点，不会漏掉任何细小的孔隙，因此计算孔隙率的准确率较高。本方法的误差主要来自阈值对程序计算的不同影响，和小孔隙的RGB值得影响［4］。

4　结论

通过自行开发的计算机程序，电池集流体孔隙率的测定实现了简单化、自动化，准确化的发展，避免了由于人工误差所带来的影响。操作方法多样化，不仅适用于大型仪器（如扫描电镜）所拍摄的图像，还适用于手机这种小型仪器拍摄的图像，所以此方法有较高的实用型。

［1］秦襄培，刘洪涛.图像技术在镀层孔隙率测定上的应用［J］.湖北：材料保护，2005（09）：70-72.

［2］王静.基于图像处理的植物叶片面积测量方法研究［J］.山西：山西师范大学学报，2014（09）：49-52.

［3］章敏晋.图像处理技术和分析（第一版）［M］.北京：清华大学出版社，1999.

［4］郭东萍.金属防腐化学镀层孔隙率的测定及其影响因素实验研究［D］.河北科技大学，2014（05）.

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

李喜歌（1983-），本科，助理工程师，研究方向：化学工程与工艺，电化学方向。