电池制造的八大特征及制造水平的八大指标

　　一直以来，新能源汽车的安全问题都是大众关注的焦点。大众对新品类的关注和质疑，将并非专属于新能源汽车的自燃问题摆在了放大镜下面，使人们对电动汽车的安全概率判断有些失真。
　　但对电动汽车安全的担忧并非没有道理，因为它一旦起火，燃烧速度极快，会造成非常严重的后果。这是因为电动汽车最核心的就是平铺在底盘下的电池（见图1），外部的高温或挤压或电池质量差，都可能引发热失控，进而导致起火和爆炸。
　　电池自燃起火爆炸的原因如图2所示。
　　电池制造的八大特征
　　电池安全问题的本质是什么？有没有什么办法，可以制造出高质量的电池？
　　与其他通用产品比较，电池的制造呈现如下八大特征：
　　1。不同尺寸材料混合均匀
　　锂电材料尺寸从纳米到微米再到毫米，跨度很大，这样大跨度的材料混合在一起，如何能够保证混合均匀、不分层，不脱落，是保证电池一致性的关键。
　　2。软质材料、硬性定位精度要求
　　隔膜、正极及负极都是十几微米到几百微米的软质薄膜材料，在组装过程中需要这些材料对齐、稳固，能够在使用过程中抵抗一定冲击，且颗粒尺度膨胀收缩变化不要影响原来结构的稳固，不开裂、不脱落。而这些软性的材料，如何在制造过程满足尺寸稳定和一致定位要求，是保证电池质量的关键。
　　3。不被关注的因素，对质量影响很大
　　电池制造过程的温度均匀性、湿度大小及现场粉尘的多少及分布，加工毛刺大小和密集度，还有极片在不同环境里停留时间的长短，都会影响材料吸水的程度，进而影响电池生产的质量。因此电池制造应制定标准对这些因素进行监测和管控。
　　4。产业不断升级
　　随着电池应用愈加广泛，需求量不断增加，电池的材料、结构、制造工艺、制造方法和制造装备也在不断升级及更新。这些升级更新必然会给制造过程带来不确定性，在制造的规划设计中需要充分考虑这些因素。
　　5。制造过程从连续逐步走向离散
　　电池的制造是从粉料制浆、涂布、辊压和模切，到卷绕或叠片、组装、注液、化成和PACK的制造过程（见图3）。这个过程中物料逐步由连续的浆料、箔材，涂布、辊压成膜，到分切、模切分离渐变分条，这是连续的过程，之后是卷绕或叠片，逐步演变完全，变成离散的单体（见图4）。
　　在此过程中，系统的线性、非线性、随机动态过程互相掺杂，使制造过程的数据双向追溯、材料与电芯的关联、模型建立与优化变得十分复杂。
　　6。多源异构，海量数据
　　电池的制造过程中，正极和负极是纳米、微米级颗粒物料，连接剂、导电剂和溶剂是液体，铜箔、铝箔、胶纸和铝塑膜是薄膜材料，极柱、壳体等是机械结构件。制造过程中每个工序及阶段形成的半成品都有不同的产品特性和形态，再加上制造过程中温度、湿度及粉尘等环境因素也会影响材料状态（见图5）。
　　这些特性和形态用数据来描述时，表现为数据来源繁多，数据结构各不相同，结构化数据、非结构化数据与半结构化数据互相掺杂影响。制造过程中每个特性的数据在数字化时要用不同的数据粒度，这些数据的特征综合起来表现为多源、异构和海量特征。在储能电池的制造过程必须准确获取这些数据，进行提取和数据治理，建立相应存储方式及管理方式，建立相应的各种制造模型，以实现用数据化解制造问题的基本目的。
　　7。多物理场、多尺度
　　电池制造技术涉及化学、电化学、离子动力学、分子动力学、电子学、电磁学、机械、控制及流体等相关学科。从物理和化学的角度看，涉及热力场、电场、磁场、流体场、分子原子间的相互作用；从尺寸方面看，涉及微粒离子与分子的运动规律，纳米材料的相互作用与混合，纳米、微米级的加工制造，毫米到米级尺寸的产品应用，这就导致电池制造过程复杂，电池中电子、离子的运动规律揭示和管控困难，表现为枝晶的产生与抑制，固体电解质相界面（SEI）膜难以准确表征与控制。
　　基于这些特征，制造过程不仅要管控温度、湿度、粉尘、压力、变形及真空等参数，还要控制作业工序、等待时间、作业空间大小、作业环境、作业时间、制造工艺、加工方法、作业精度及作业稳定性等要求，以保证电池制造能够达到理想的制造质量、制造安全及制造效率等。
　　8。因果关系的科学规律不清晰
　　电池制造是一门复杂、影响众多、多学科交叉的科学，由于其所涉及的理论、机理和数据复杂多样，难以总结出因果关系清晰的科学规律，目前还缺少定量、有效的系统科学分析方法和系统性能特征评价手段，来达到电池作为通用目的产品制造的可重构、大规模、定制化的要求。
　　衡量电池制造水平的八大指标
　　电池的制造水平高低，直接影响到电池的使用价值。为了满足新能源汽车和储能应用市场的需求，高质量电池的制造和供应尤为重要，那么，电池的制造水平应该如何衡量？
　　电池制造遵循大规模制造业的基本规律，可以用八大指标来衡量（见图6）。
　　1。电池制造合格率
　　定义：满足使用特性的电池数与开始总投入电池数的比。使用特性指满足电池使用要求的基本特性，一般而言，它是指基本性能的组合，并得到同时满足的条件，如容量、内阻、倍率、尺寸、自放电及安全性等。
　　在电池制造的不同阶段和电池成品后的不同应用场景，对使用特性的定义也不尽相同。细分的电池制造合格率包括：电芯制造合格率、模组制造合格率、PACK制造合格率和电芯配对合格率（也叫做电池成品率，文末有计算方式）。
　　对电芯制造企业而言，应该重点强调电芯配对合格率，即满足配对使用的电芯数除以制造开始投入的电芯数。它反映了电芯制造企业的综合水平和效益，目前行业内该数据不高，好的企业在90～95，一般的企业数据范围是在75～85。
　　2。材料利用率
　　定义：实际产出成形电池的材料价值与投入同等数量电池所有消耗材料价值之比。
　　这里的所有材料包括在成形电池中存在的成品构成材料（见图7）和制造过程中随产量成比例消耗的辅助材料，例如N甲基吡咯烷酮（NMP），水，物料接头、接带胶布，材料挥发消耗的液体，保护麦拉膜，造过程保护气等。
　　目前，该指标在行业的平均水平在90～94，有较大提升空间，从电池设计、制造工艺、制造装备和制成管理等方面综合提高材料利用率水平，可以实现资源节约，为电池制造企业带来更大的收益。
　　3。人工成本率
　　定义：在一定连续生产周期内，直接与电池生产过程不可分割的生产人员的成本与同期生产电池容量的比例，单位为：元Wh。
　　生产人员包括操作人员、物料输送人员、产线固定检验人员、维修人员，不包括临时性工作的人员，如检修人员、不定期产品换型人员和产线优化改善人员。
　　4。瓦时设备投入
　　定义：在一定连续生产周期内，所有设备投入的折旧与当期生产的成形电池的瓦时数（Wh）之比，单位为：元Wh。
　　折旧期限跟电池生产生命周期有关，按固定资产折旧的财务规律结合电池制造业的特点综合考虑，一般为5～8年。
　　5。瓦时能耗指数
　　定义：在一定连续生产周期内，与电池生产有关的过程所消耗的所有能源（Wh）与当期生产的成形电池的瓦时数（Wh）之比，单位为：无量纲系数。所有消耗的能源需折算统一单位Wh，包含生产制造设备、制造环境构建、制造辅助气体、生产管理人员等消耗的电力能源和直接生产使用的热蒸汽、燃油等，不包括与大规模连续生产无关的电池研发、实验研究及电池生产验证所消耗的能源。
　　6。瓦时制造成本
　　定义：在一定连续生产周期内（一般为电池的制造周期），所消耗的制造费用与在此期间生产的成形电池瓦时数（Wh）之比，单位为：元Wh。所有消耗费用包括三项：期间人工成本、期间能源消耗费用和期间设备折旧（一般按照5～8年平均折旧）。
　　7。制造安全
　　定义：生产制造电池产品的安全，一般使用一定连续生产周期（一个月或半年）内出现热失控或安全指标超标的电池数与该期间生产电池总数之比乘以一百万的数量，称为PPM数（百万分之一）。
　　一般电芯生产安全指标应当小于几个PPM，称为PPM级管控。电池包生产安全指标应当小于几个PPB（十亿分之一），称为PPB级管控。
　　8。运转可靠性
　　定义：MTBF是指电池制造生产线（或单工序设备）的平均无故障时间，运转可靠性一般要求单机MTBF大于1000h（DT小于万分之一），生产线总体MTBF大于150h。
　　细分电池制造合格率，还有一项指标电池成品率。它的定义是从电池材料到电池包成品生产过程中，实际装入电池包里配对合格的电芯数与投料时的电芯数之比的百分数。
　　电池成品率
　　YC配对合格电芯数投入电芯100Y1Y2Y3100
　　式中，Y1为电芯直通率（LineYield）产出电芯数投入电芯数，衡量电芯生产线制造加工电芯的能力；Y2为测试合格率（CellSortYield）测试合格电芯数产出电芯数，衡量产线制造产品的性能满足实际要求的能力；Y3为配对合格率（PairYield）配对合格电芯数测试合格电芯数，衡量产线制造电芯制造一致性的能力。
　　电池制造合格率、材料利用率、人工成本率、瓦时设备投入、瓦时能耗指数、瓦时制造成本、制造安全和运转可靠性，还有电池成品率，这些关键指标的确定，将电池制造水平的判断由定性转为定量。随着智能制造的发展，指标的重要性也将日渐凸显，成为衡量与提高电池质量与制造水平的客观依据。
　　结语
　　电池作为一种通用目的产品，其材料尺度不一，制造过程从连续到离散，半成品呈现出多种状态，动态过程互相掺杂，存在多个物理场，且环境影响因素还会增加更多不稳定性。理论、机理和制造过程复杂，只有定义好来料、设备、过程的基础元数据、数据字典，按照规律准确获取数据，做好数据整理，搭建数据平台，建立反映真实规律的模型，再根据制造目标需求不断进行优化，才能实现制造目标。
　　如果没有长时间的积累，缺少对电池的机理、影响规律深刻的认识和管控，很难制造出高质量的动力电池。
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