電池制造的八大特征及制造水平的八大指標

陽如坤

深圳吉陽智能科技有限公司 廣東深圳 518126

一直以來，新能源汽車的安全問題都是大眾關注的焦點。大眾對新品類的關注和質疑，將并非專屬于新能源汽車的自燃問題擺在了放大鏡下面，使人們對電動汽車的安全概率判斷有些“失真”。

但對電動汽車安全的擔憂并非沒有道理，因為它一旦起火，燃燒速度極快，會造成非常嚴重的后果。這是因為電動汽車最核心的就是平鋪在底盤下的電池（見圖1），外部的高溫或擠壓或電池質量差，都可能引發熱失控，進而導致起火和爆炸。

圖1 電動汽車底盤

電池自燃起火爆炸的原因如圖2所示。

圖2 動力電池自燃起火爆炸的原因

電池制造的八大特征

電池安全問題的本質是什么？有沒有什么辦法，可以制造出高質量的電池？

與其他通用產品比較，電池的制造呈現如下八大特征：

1.不同尺寸材料混合均勻

鋰電材料尺寸從納米到微米再到毫米，跨度很大，這樣大跨度的材料混合在一起，如何能夠保證混合均勻、不分層，不脫落，是保證電池一致性的關鍵。

2.軟質材料、硬性定位精度要求

隔膜、正極及負極都是十幾微米到幾百微米的軟質薄膜材料，在組裝過程中需要這些材料對齊、穩固，能夠在使用過程中抵抗一定沖擊，且顆粒尺度膨脹/收縮變化不要影響原來結構的穩固，不開裂、不脫落。而這些軟性的材料，如何在制造過程滿足尺寸穩定和一致定位要求，是保證電池質量的關鍵。

3.不被關注的因素，對質量影響很大

電池制造過程的溫度均勻性、濕度大小及現場粉塵的多少及分布，加工毛刺大小和密集度，還有極片在不同環境里停留時間的長短，都會影響材料吸水的程度，進而影響電池生產的質量。因此電池制造應制定標準對這些因素進行監測和管控。

4.產業不斷升級

隨著電池應用愈加廣泛，需求量不斷增加，電池的材料、結構、制造工藝、制造方法和制造裝備也在不斷升級及更新。這些升級更新必然會給制造過程帶來不確定性，在制造的規劃設計中需要充分考慮這些因素。

5.制造過程從連續逐步走向離散

電池的制造是從粉料制漿、涂布、輥壓和模切，到卷繞或疊片、組裝、注液、化成和PACK的制造過程（見圖3）。這個過程中物料逐步由連續的漿料、箔材，涂布、輥壓成膜，到分切、模切分離漸變分條，這是連續的過程，之后是卷繞或疊片，逐步演變完全，變成離散的單體（見圖4）。

圖3 電池制造過程

圖4 電池制造過程中物料形態變化

在此過程中，系統的線性、非線性、隨機動態過程互相摻雜，使制造過程的數據雙向追溯、材料與電芯的關聯、模型建立與優化變得十分復雜。

6.多源異構，海量數據

電池的制造過程中，正極和負極是納米、微米級顆粒物料，連接劑、導電劑和溶劑是液體，銅箔、鋁箔、膠紙和鋁塑膜是薄膜材料，極柱、殼體等是機械結構件。制造過程中每個工序及階段形成的半成品都有不同的產品特性和形態，再加上制造過程中溫度、濕度及粉塵等環境因素也會影響材料狀態（見圖5）。

圖5 電池不同部分制造過程中的材料狀態

這些特性和形態用數據來描述時，表現為數據來源繁多，數據結構各不相同，結構化數據、非結構化數據與半結構化數據互相摻雜影響。制造過程中每個特性的數據在數字化時要用不同的數據粒度，這些數據的特征綜合起來表現為多源、異構和海量特征。在儲能電池的制造過程必須準確獲取這些數據，進行提取和數據治理，建立相應存儲方式及管理方式，建立相應的各種制造模型，以實現用數據化解制造問題的基本目的。

7.多物理場、多尺度

電池制造技術涉及化學、電化學、離子動力學、分子動力學、電子學、電磁學、機械、控制及流體等相關學科。從物理和化學的角度看，涉及熱力場、電場、磁場、流體場、分子原子間的相互作用；從尺寸方面看，涉及微粒離子與分子的運動規律，納米材料的相互作用與混合，納米、微米級的加工制造，毫米到米級尺寸的產品應用，這就導致電池制造過程復雜，電池中電子、離子的運動規律揭示和管控困難，表現為枝晶的產生與抑制，固體電解質相界面（SEI）膜難以準確表征與控制。

基于這些特征，制造過程不僅要管控溫度、濕度、粉塵、壓力、變形及真空等參數，還要控制作業工序、等待時間、作業空間大小、作業環境、作業時間、制造工藝、加工方法、作業精度及作業穩定性等要求，以保證電池制造能夠達到理想的制造質量、制造安全及制造效率等。

8.因果關系的科學規律不清晰

電池制造是一門復雜、影響眾多、多學科交叉的科學，由于其所涉及的理論、機理和數據復雜多樣，難以總結出因果關系清晰的科學規律，目前還缺少定量、有效的系統科學分析方法和系統性能特征評價手段，來達到電池作為通用目的產品制造的可重構、大規模、定制化的要求。

衡量電池制造水平的八大指標

電池的制造水平高低，直接影響到電池的使用價值。為了滿足新能源汽車和儲能應用市場的需求，高質量電池的制造和供應尤為重要，那么，電池的制造水平應該如何衡量？

電池制造遵循大規模制造業的基本規律，可以用八大指標來衡量（見圖6）。

圖6 衡量電池制造水平的具體指標

1.電池制造合格率

定義：滿足使用特性的電池數與開始總投入電池數的比。

使用特性指滿足電池使用要求的基本特性，一般而言，它是指基本性能的組合，并得到同時滿足的條件，如容量、內阻、倍率、尺寸、自放電及安全性等。

在電池制造的不同階段和電池成品后的不同應用場景，對使用特性的定義也不盡相同。細分的電池制造合格率包括：電芯制造合格率、模組制造合格率、PACK制造合格率和電芯配對合格率（也叫做電池成品率，文末有計算方式）。

對電芯制造企業而言，應該重點強調電芯配對合格率，即滿足配對使用的電芯數除以制造開始投入的電芯數。它反映了電芯制造企業的綜合水平和效益，目前行業內該數據不高，好的企業在90%～95%，一般的企業數據范圍是在75%～85%。

2.材料利用率

定義：實際產出成形電池的材料價值與投入同等數量電池所有消耗材料價值之比。

這里的所有材料包括在成形電池中存在的成品構成材料（見圖7）和制造過程中隨產量成比例消耗的輔助材料，例如N-甲基吡咯烷酮（NMP），水，物料接頭、接帶膠布，材料揮發消耗的液體，保護麥拉膜，造過程保護氣等。

圖7 電池制造的構成材料

目前，該指標在行業的平均水平在90%～94%，有較大提升空間，從電池設計、制造工藝、制造裝備和制成管理等方面綜合提高材料利用率水平，可以實現資源節約，為電池制造企業帶來更大的收益。

3.人工成本率

定義：在一定連續生產周期內，直接與電池生產過程不可分割的生產人員的成本與同期生產電池容量的比例，單位為：元/Wg h。

生產人員包括操作人員、物料輸送人員、產線固定檢驗人員、維修人員，不包括臨時性工作的人員，如檢修人員、不定期產品換型人員和產線優化改善人員。

4.瓦時設備投入

定義：在一定連續生產周期內，所有設備投入的折舊與當期生產的成形電池的瓦時數（Wg h）之比，單位為：元/Wg h。

折舊期限跟電池生產生命周期有關，按固定資產折舊的財務規律結合電池制造業的特點綜合考慮，一般為5～8年。

5.瓦時能耗指數

定義：在一定連續生產周期內，與電池生產有關的過程所消耗的所有能源（Wg h）與當期生產的成形電池的瓦時數（Wg h）之比，單位為：無量綱系數。所有消耗的能源需折算統一單位Wg h，包含生產制造設備、制造環境構建、制造輔助氣體、生產管理人員等消耗的電力能源和直接生產使用的熱蒸汽、燃油等，不包括與大規模連續生產無關的電池研發、實驗研究及電池生產驗證所消耗的能源。

6.瓦時制造成本

定義：在一定連續生產周期內（一般為電池的制造周期），所消耗的制造費用與在此期間生產的成形電池瓦時數（Wg h）之比，單位為：元/Wg h。所有消耗費用包括三項：期間人工成本、期間能源消耗費用和期間設備折舊（一般按照5～8年平均折舊）。

7.制造安全

定義：生產制造電池產品的安全，一般使用一定連續生產周期（一個月或半年）內出現熱失控或安全指標超標的電池數與該期間生產電池總數之比乘以一百萬的數量，稱為PPM數（百萬分之一）。

一般電芯生產安全指標應當小于幾個PPM，稱為PPM級管控。電池包生產安全指標應當小于幾個PPB（十億分之一），稱為PPB級管控。

8.運轉可靠性

定義：MTBF是指電池制造生產線（或單工序設備）的平均無故障時間，運轉可靠性一般要求單機MTBF大于1000h（DT小于萬分之一），生產線總體MTBF大于150h。

細分電池制造合格率，還有一項指標——電池成品率。它的定義是從電池材料到電池包成品生產過程中，實際裝入電池包里配對合格的電芯數與投料時的電芯數之比的百分數。

電池成品率

YC=配對合格電芯數/投入電芯×100%=Y1Y2Y3×100%

式中，Y1為電芯直通率（Line Yield）=產出電芯數/投入電芯數，衡量電芯生產線制造加工電芯的能力；Y2為測試合格率（Cell Sort Yield）=測試合格電芯數/產出電芯數，衡量產線制造產品的性能滿足實際要求的能力；Y3為配對合格率（Pair Yield）=配對合格電芯數/測試合格電芯數，衡量產線制造電芯制造一致性的能力。

電池制造合格率、材料利用率、人工成本率、瓦時設備投入、瓦時能耗指數、瓦時制造成本、制造安全和運轉可靠性，還有電池成品率，這些關鍵指標的確定，將電池制造水平的判斷由定性轉為定量。隨著智能制造的發展，指標的重要性也將日漸凸顯，成為衡量與提高電池質量與制造水平的客觀依據。

結語

電池作為一種通用目的產品，其材料尺度不一，制造過程從連續到離散，半成品呈現出多種狀態，動態過程互相摻雜，存在多個物理場，且環境影響因素還會增加更多不穩定性。理論、機理和制造過程復雜，只有定義好來料、設備、過程的基礎元數據、數據字典，按照規律準確獲取數據，做好數據整理，搭建數據平臺，建立反映真實規律的模型，再根據制造目標需求不斷進行優化，才能實現制造目標。

如果沒有長時間的積累，缺少對電池的機理、影響規律深刻的認識和管控，很難制造出高質量的動力電池。