物聯網和智能制造提升鋰離子電池生產安全

文·圖/桑田 廖文聰 農立強

鋰離子電池常常采用高架倉庫型式的生產方式，在提高生產效率的同時，引發連鎖反應導致火災的可能性也大大增加。為了平衡好集約化生產方式下生產效率和安全條件，惠州億緯鋰能股份有限公司開展了一系列研究和實踐。

2017年中國動力和儲能電池產業已形成有效產能110 GWh，實際產出36.2 GWh電池。隨著行業生產規模的快速發展，原有的生產方式無法支持大規模電池制造的實現，越來越多的企業開始導入集約化的生產方式，大量應用智能制造裝備，大力提高質量一致性、生產效率和單位面積上的產值。

鋰離子電池是一種富含能量的器件，在制造過程中電池也存在一定的失效概率，因此，需要采用化成分容工藝以及高溫老化、常溫老化等環境應力篩選工藝。將制造過程中的失效電池篩選、剔除，以保證交產品滿足技術和質量要求。

集約化的化成分容、高溫老化、常溫老化工序常常采用高架倉庫型式的生產方式，這種生產方式在提高生產效率的同時，也意味著廠房的單位面積上的電池數量更多、能量密度更高。當少數電池失效進而熱失控時，引發發生連鎖反應導致火災的可能性也大大增加了。為了平衡集約化生產方式下生產效率和安全條件，惠州億緯鋰能股份有限公司（以下簡稱“億緯鋰能”）開展了一系列研究和實踐。

億緯鋰能創立于2001年，是國家級高新技術企業，專注于鋰電池的創新發展。經過十余年的耕耘，公司鋰亞電池居世界前列，鋰原電池居國內領先地位。

生產安全條件改進背景

生產方式的變化

傳統的化成分容方式（圖1）多采用單點式的化成分容設備，需要大量的人工裝夾電池，設備占地面積大，生產效率不高，生產設備對電池的熱失控幾乎沒有監測預警設計。傳統的高溫老化（圖2）、常溫老化生產方式（圖3）多采用傳統倉儲式的老化方式，將電池托盤密集堆垛在棧板上或者貨架上，再將棧板或貨架置于老化環境中。這種老化方式需要大量的人工搬運電池，對廠房垂直空間的利用效率不高，老化設備的監測預警設計無法精準定位熱失控的失效電池，電池托盤密集堆垛也造成了火災載荷較大。

圖1 傳統的化成分容方式

圖2 傳統的高溫老化方式

圖3 傳統的常溫老化方式

因此，近年來動力和儲能電池企業的新建項目紛紛采用集約化和自動化的制造裝備，比較多地應用了高架倉庫型式的化成分容、高溫老化、常溫老化設備，設備高度通常在幾米至十幾米之間，大大提高了生產效率和單位廠房面積的產值。

安全風險的變化

鋰離子電池的化成分容工序需要進行100%充電和大電流放電。在這一過程中，少數失效電池可能會發熱、冒煙、熱失控甚至起火。不論是傳統形式的老化工藝還是集約化形式的老化工藝，老化場所都是在電池集中存放、能量非常集中的區域，在這一過程中，少數失效電池或其他外部因素可能誘發電池發熱、冒煙、熱失控甚至起火。當發生上述情況時，若處置不當或不及時，極有可能導致火情進一步蔓延，形成火災，危及員工人身安全和企業財產安全，形成不良社會影響。

在傳統生產方式中，生產設備設施往往沒有火災探測器，無法確定失效電池的冒煙位置；在集約化的高架倉庫方式中，存放電池的貨位數量多，貨架高度遠超出了人工應急處置的能力范圍。按照傳統的應急處置措施，當建筑消防設施的火災探測器報警后，廠區的消防控制室先將報警信息通報車間工作人員，車間工作人員需要在報警區域人工目視搜索，以進一步確定冒煙、起火部位，再使用滅火器、消防軟管卷盤或消防水帶處置。這種應急處置方式耗時長、效率低，極易延誤初起火災處置的“黃金三分鐘”，導致單個電池的冒煙、起火蔓延形成火災。而且，對高架倉庫的高處貨位的警情，人工使用滅火器無法處置，使用消防軟管卷盤或消防水帶又容易造成水滯次生災害，擴大財產損失。

因此，必須研究和應用一種監測預警效率更強、定位更精準、處置速度更快、次生災害更小、更適合集約化生產的生產方式和安全技術系統。

借力物聯網技術和智能制造裝備

億緯鋰能針對傳統生產方式的痛點和安全風險，在分容化成、高溫老化和常溫老化工序系統性地應用了物聯網技術和智能制造裝備。

智能制造生產系統

高架倉庫型式的分容化成、高溫老化、常溫老化生產系統（圖4）高度通常在4～10 m之間，高貨架的每個貨位可儲存1 536只電池（以18650型鋼殼圓柱為例），大大提高了單位面積的產值。

圖4 高架倉庫型式的分容化成、高溫老化、常溫老化生產系統

該生產系統采用總線式中央控制室（圖5），產品各類技術指標信息、生產工藝信息、產品質量信息、產品實時位置和狀態信息均自動采集進入中央控制室集中處理。每2列高貨架之間設置1個堆垛機器人（圖6）。堆垛機器人可執行電池的搬運、裝夾等生產任務，也可以執行滅火等應急處置任務。整個生產系統響應時間小于5 s，堆垛機器人從最遠距離響應到完成任務指令的時間小于1.5 min，大大提高了生產效率。

圖5 總線式中央控制室

圖6 堆垛機器人

基于物聯網技術的安全系統

高架倉庫型式的分容化成、高溫老化、常溫老化生產系統，采用阻燃型的電池托盤，每個電池保持一定安全間距，防止一只電池熱失控產生的熱量快速輻射到相鄰電池，減少熱失控帶來的連鎖反應，減少火災概率。高貨架的每個貨位之間也保持一定的安全距離，同樣能夠減少熱失控帶來的連鎖反應，減少火災概率。

每個貨位設置了一只火災探測器（圖7），火災信號和位置信號通過總線接入生產系統的中央控制室。堆垛機器人上設有一套自動滅火裝置（圖8），每兩列高貨架設置一個事故水箱（圖9）用于浸泡發熱電池。

圖7 火災探測器

圖8 堆垛機器人的自動滅火裝置

圖9 事故水箱

當電池出現發熱冒煙的險情時，貨位上的火災探測器探測、觸發，信號經服務器處理后在車間和中央控制室同時發出聲光報警。中央控制系統自動向堆垛機器人下達應急處置指令。堆垛機器人根據不同狀態在5 s內響應并在1.5 min內完成處置。

狀態1：堆垛機器人在執行生產任務中接到應急處置指令后，立刻以就近原則結束生產任務，然后前往報警貨位取出整個貨位的電池，并送往事故水箱。

狀態2：堆垛機器人在待機狀態接到應急處置指令后，立刻前往報警貨位取出整個貨位的電池，并送往事故水箱。

堆垛機器人在將電池送往事故水箱途中，如探測到電池仍然在冒煙，堆垛機器人的防火卷簾門會自動下降，啟動堆垛機器人上的自動滅火裝置滅火。

生產安全條件改進帶來的安全收益

改進后的生產系統有兩大成果，首先集約化的智能制造方式提高了生產效率，其次基于物聯網技術的安全系統提升了監測預警能力，提高了應急處置效率，大大降低了事故危害度和事故損失。

生產效率的提高體現在兩個方面。一方面是高架倉庫型式的生產系統能容納481萬只電池同時老化，而相同面積的廠房如采用傳統工藝僅能老化約300萬只電池，高架倉庫型式的生產系統提高了約60%的生產效率，每年可多產出約4 163萬只電池，增加產值約3億3 304萬元。另一方面，大大減少了電池搬運、裝夾的工作人員數量。如采用傳統工藝，每個班次至少需要4名工作人員不間斷地搬運電池，需要若干名工作人員裝夾電池，同時還存在著工作人員被電池砸傷、被叉車壓傷的風險，而高架倉庫型式的生產系統只需要1名工作人員監視中央控制系統，適時輸入生產指令，堆垛機器人則會根據系統預設指令或人工指令自動操作，每年可節約人工成本約25萬2 000元。

在降低事故危害度和事故損失的收益方面，2017—2018年間，億緯鋰能某工廠的分容化成、高溫老化和常溫老化生產系統共監測到12次電池失效故障，該系統及時預警，堆垛機器人成功處置，沒有發生火情蔓延、設備損失、電池損失和人身傷害。以一個貨位的電池價值計算，減少事故損失8.00元×1 536（只電池）×12（次）=14萬7 456元，如考慮成功避免了更大尺度的火災損失，則安全收益更多。

根據過去3年的生產實踐和安全管理實踐，在單個容量為數安時的三元電池化成分容、高溫老化、常溫老化制造過程中，采用高架倉庫型式的電池存放設施、貨位火災探測器、堆垛機器人、設備自動滅火裝置、中央控制系統這一套物聯網技術和智能制造裝備，提升了生產效率，取得了顯著的安全收益，為動力和儲能電池行業在產能大發展時期管理好安全生產、防范火災風險提供了一個可以借鑒的范本。

但是，在單個容量為數十安時或數百安時的大容量的三元電池上的應用效果，還需要進一步研究和實踐。