基于數字孿生的鋰離子電池正極材料全生命周期質量管理體系構建

摘 要：新能源產業極速發展起來，鋰離子電池正極材料的質量管理慢慢成了影響電池性能與可靠性優化的重要因素，傳統質量控制大多關注生產環節，很難做到對正極材料從研發設計到回收處理整個過程實施動態化管理，數字孿生技術出現以后，便為創建全生命時段質量管理體系給予了新的技術手段。文章依照數字孿生技術的主要特點，從價值層面來分析該技術關于鋰離子電池正極材料質量管理所起的作用，表明當下質量管理應用當中比較明顯的一些問題，然后給出對應的系統化形成策略，經過研究得出結論，依靠數字孿生的質量管理體系有益于達成質量問題預先警告并完成全過程追蹤，而且可以改善材料在研發，制造以及使用各個階段的協同合作效率，從而給鋰電產業朝著高質量方向發展賦予理論上的支持和實行方法。

關鍵詞：數字孿生 鋰離子電池 正極材料 全生命周期 質量管理體系

鋰離子電池屬于當下主流的儲能技術，其被全面應用在新能源汽車，便攜式電子設備以及大型儲能系統當中，鋰離子電池的核心性能在很大程度上取決于正極材料的物理化學特性以及制程質量。近年來，由于電池的使用場景變得復雜，使用強度有所增大，電池失效和性能波動的情況頻繁發生，探尋根源就會發覺，往往是因為在正極材料的生產和使用過程中沒有做到有效的質量觀測以及動態管理，傳統的質量管理體系以線性流程為核心，無法滿足材料生命時段中各個階段數據的即時共享以及質量問題的動態管理。數字孿生技術經由形成物理對象的虛擬映射，具備高效感知，動態反饋以及智能預測能力，給質量管理體系增添了“可視、可控、可追溯”的新能力，創建依靠數字孿生的鋰離子電池正極材料全生命時段質量管理體系，是做到從“事后檢測”向“全過程改善”轉變的關鍵步驟，文章將會圍繞此目標展開探討，表明其價值所在，找出存在的問題，并給出系統性的策略建議。

1 數字孿生驅動的全生命周期質量管理體系建設價值研究

1.1 實現質量信息全生命周期透明化傳遞

傳統模式下，鋰電池正極材料從原料采購，配方設計，合成制造直至客戶使用與回收處理，各個階段的質量數據相互分離，很難創建起統一的數據循環體系。而數字孿生經由創建正極材料的虛實結合模型，實現了對物理系統運行狀態的隨時映射并做到數據協作，使得質量信息能夠在研發、生產、檢測、使用這些環節當中得以順暢傳遞，某家材料企業利用數字孿生平臺之后，便順利連通了配料工藝和燒結工序二者間的參數聯系，實現了不同階段質量指標的動態關聯，如此一來，研發方面就可參照反饋信息迅速優化設計模型，提升了實驗效率并材料的一致性，這種超越階段的質量信息的透明化流轉，既加強了問題察覺的時效性，又給后續的質量把控給予了數據支持和警示參考。

1.2 增強正極材料工藝的可控性與響應速率

鋰離子電池正極材料的性能受到很多復雜工藝參數的影響，這些參數具有很強的非線性和時效性特點，數字孿生模型可以不斷地把實際工況和預期模型作比較，快速發現異常的工藝操作，這樣就能在問題出現前采取預防措施，在碳酸鋰配料這個階段，經由創建孿生模型及時去對比實際配比的誤差，當發現波動超出指定誤差的時候，系統就會自動報警，并且自反饋調整設備參數，很好地避免不合格批次的產生，憑借這個機制，企業得以從“事后補救”過渡到“事前防范”，大幅改善工藝的穩定性，更關鍵的是，數字孿生具備自學能力，它依照大量的數據反饋來改良控制模型，給復雜工藝帶來持續發展的自適應調節機制。

1.3 提升產品質量追溯與責任界定效率

正極材料的使用環境復雜，其失效表征具備明顯的滯后性，通常要到電池組裝或者使用階段后期才能察覺其失效狀況，用傳統方法去追溯，很難精確找到負責環節，而利用數字孿生創建起來的全過程模型，可以自動把每項操作數據及其上下游影響記錄下來，給質量溯源詳細的路徑支撐，比如某個電池生產商把原材料批次，人員操作記錄以及設備運行日志納入數字孿生平臺當中，若某一批次電池在下游用戶那里發生容量縮減情況，該系統馬上就能追溯到具體配料時點和操作人員，接著鎖定異常原因并立即做出調整，較之于傳統依靠人力排查的模式，依托孿生模型的質量追溯體系不但速度更快，而且在界定責任的時候也更為科學合理，這就很大程度上優化了企業在品質守護方面的公信力。

2 鋰離子電池正極材料質量管理的現實問題

2.1 質量管理聚焦制造環節，缺乏全生命周期管控視角

當下鋰電正極材料質量管理時，企業大多把控制重點放于中游制造環節，如配料、燒結、粉碎、檢測這些階段，對于設計源頭和使用末端的關注度明顯不夠。正極材料的質量問題很多都是到后期電池應用的時候才顯現出來，之前的設計特點、原料差別、使用工況等因素常常被忽略，引發問題難以追溯源頭，導致整體改進遲緩，比如某個企業雖然在出廠檢測的時候執行嚴格標準，可是由于沒有整合下游客戶的退貨信息，所以沒能及時察覺到某型號材料在高溫環境下存在熱穩定性欠佳的情況，這種“點式”管理方法無法創建起全過程質量控制的循環，迫切必要采用全生命時段的視角，達成設計、制造、使用、回收各個環節質量的協同運作。

2.2 數據孤島現象普遍，各階段系統互聯性差

當下，超半數鋰電材料企業已在信息化建設方面取得一定成果。然而，諸多系統平臺缺乏統一的數據接口與標準，致使大量質量數據散落于各個系統內部，無法實現互通，嚴重制約了數據價值的深度挖掘與企業運營效率的提升。不同系統各自為政，數據格式、存儲方式千差萬別，在跨系統調用數據時，常需投入大量人力進行格式轉換與適配，耗時費力且易出錯。這不僅阻礙了數據在企業內部的自由流通，還使得企業難以借助數據整合之力，開展精準的質量分析、流程優化以及決策制定等工作，實驗室的LIMS系統，生產環節的MES系統以及ERP系統沒有建立動態關聯機制，使得原料混合比例、設備參數、檢測結論這些重要信息難以整合起來并加以總結。比如，某個企業做正極材料一致性判斷的時候，由于最初的粒徑數據分布在不同系統當中，只能依靠人工去提取比較來執行溯源分析，這樣速度慢不說，還極易出現錯誤判斷，此類數據孤島的狀況已是限制質量經營數字化提升的主要瓶頸，影響數字孿生模型創建的全面性與及時性。

2.3 復合型人才不足制約數字孿生模型應用落地

組建數字孿生質量管理體系必要既知曉材料性能機理，又精通系統建模與數據處理的復合型人才，但是當下大部分企業內部存在專業壁壘，材料工藝人員和 IT 技術人員缺少協作語言，極大限制了孿生系統的有效開發與應用，一些企業打算借助高校合作團隊來搭建模型，可是由于沒有“橋梁型”的關鍵人才，模型搭建歷時很久，實用性欠佳，最終無法落地。比如某正極材料企業在孿生試點項目當中，因為建模邏輯與工藝流程相脫離，所以預測偏差很大，響應也很慢，人才結構比較單一，這不但會影響技術執行的成果，而且會妨礙后續系統的改良與拓展，成為數字化轉型過程中的一大瓶頸。

3 構建鋰離子電池正極材料全生命周期質量管理的數字孿生策略

3.1 延伸質量管理邊界：構建生命周期視角的體系架構

若想有效地發揮數字孿生在正極材料質量管理方面的優勢，首先需從體系架構層面樹立全生命周期的質量管理觀念，超越傳統那種把質量控制重點放于中游生產環節的思維定式，質量問題常常并非僅僅產生于制造流程，而且有可能隱匿在材料設計、原料采購、使用環境以及回收利用這些環節當中，在創建管理體系之時，應當把產品從概念設計開始，歷經性能仿真、制造過程直至用戶使用，再到回收處理的各個階段全部納入質量控制的循環鏈之中，并使其成為一個動態的閉合系統，比如，企業在材料配方設計這個階段便可以運用虛擬仿真分析方法，參照以前使用端所反饋回來的數據信息，修正相關的參數模型以推測該材料于高溫，高倍率等工況下的性能狀況，借由數字模型來預先識別風險并改良混合比例，從而切實改善材料本身具有的穩定性。

3.2 推進信息系統融合，貫通各階段數據障礙

從實際操作角度來講，要形成高效的全生命周期質量管理體系，就務必要打破“信息孤島”局面，達成各系統之間的數據互通互聯，現今，鋰電企業大多會采用多套信息化系統來開展原料采購、制造管理、實驗檢測以及客戶服務管理等工作，這些系統繁雜，數據格式又不統一，從而引發信息傳遞效率低下，數據失真情況屢屢發生，這在很大程度上限制了數字孿生平臺的時效性和完整性，要想解決這個問題，就要促使企業內部的系統平臺相融合，搭建統一的質量數據中控，把基礎數據、過程數據以及反饋數據集中起來實施管理，以某家三元材料領先企業為例，此企業經由對 MES（制造執行系統）、ERP（企業資源計劃）、LIMS（實驗室信息管理系統）以及 QMS（質量管理系統）實施標準化接口改造，達成了不同系統之間的即時協作。在實際應用過程中，一旦 LIMS 系統監測到某批材料的粒徑存在異常情況，系統會自動反向查詢這批原材料的采購信息以及關鍵工藝參數，并把這些內容同步到孿生模型當中來執行參數的調節改良，以此防止不合格產品流向市場。

3.3 構建跨界融合人才梯隊，彌補模型建設能力不足

數字孿生系統的本質在于對物理世界執行精準映照并予以智能反饋，此過程既包含對材料行為機制透徹領悟，又要具備建模語言，系統架構以及算法設計等數字技能，所以，創建高水平孿生平臺必要依靠一支知曉工藝，會編程，可執行分析的復合型人才隊伍。當下很多企業陷入一種困境，即工藝人員懂材料的不懂建模，IT人員會建模卻不懂工藝，造成平臺搭建歷時久，模型準確度低，難以切實落地，針對這種情況，企業應當從兩個方面來塑造跨界人才梯隊：其一，展開校企合作共同培育人才，設立材料與信息交叉學科專業或者雙學位課程，以培育既有理論知識又具工程應用能力的專業人才，比如某高校同頂尖材料企業合辦“數字材料與智能制造”方向的研究生班，學生畢業前需要做完一個完整的數字孿生項目開發，從而做到知識與應用的有效銜接。其二，要打破企業內部各部門之間的壁壘，推進“工藝+IT”復合小組的運作機制，組建以項目為核心的協作團隊，把材料工程師、建模工程師和數據分析師整合起來協同合作，形成快速響應機制。

3.4 優化質量評價反饋機制，強化體系閉環運行效果

數字孿生平臺的核心價值之一在于具有較強的反饋調節能力，該能力的發揮依靠有效的質量評價與反饋機制，傳統質量管理大多依賴終檢結果和靜態標準，缺少過程性評價和動態反饋，造成問題察覺遲緩，不能達成自適應調節。在數字孿生支持下，企業可以塑造起包含“指標監測—模型判斷—反饋改善”的循環質量管理機制，即時察覺偏差，智能分析原因，并給出反饋改善建議，比如某鋰電企業把孿生平臺和即時SPC系統相關聯，察覺到材料比表面積波動超標之后，系統自動參照孿生模型預先設定的邊界，判定是一次燒結周期過短造成的，立刻向控制端發出調節建議，調整下一批次的加熱時間，從而防止了不良品范圍擴大。 質量評價需向用戶端拓展，把結構健康監測（SHM）模塊歸入客戶反饋系統，把電池服役時的關鍵參數傳回質量模型，創建起“用后評判—源頭改進”的反饋渠道，當用戶提及高倍率放電時容量下降的情況，模型就會綜合環境溫度，電流變化和制程記錄，自動標明問題原因并給出調整方案，依靠質量評價的動態化和反饋機制的系統化，企業就能切實做到隨時掌握材料質量并智能應對，讓經營體系具有不斷完善，自主發展的能力。

4 結語

鋰離子電池產業不斷邁向高端化與智能化，在此種大背景之下，正極材料全生命時段的質量守護成為保障產品性能以及企業競爭力的關鍵因素，傳統的質量調度模式已無法應對愈發復雜的工藝流程以及多變的使用環境，所以急需借助新的技術路徑來做到守護體系的轉型升級，數字孿生是一座銜接物理世界與虛擬空間的橋梁，它具有很強的數據整合，狀態感知以及智能反饋能力，這給鋰電正極材料質量守護給予了從“點狀監督”邁向“系統把控”的實現基礎。文章通過對搭建價值，從問題與策略的系統分析切入，給出全生命周期視角下形成數字孿生質量體系的路徑建議，重視質量循環創建、系統融合、人力提升和反饋機制改良的協同推進。日后，當人工智能、工業互聯網等新技術持續融入時，數字孿生會在鋰電材料行業起到更為重大的作用，促使質量經營邁進智能化、協同化和高效化的新臺階。

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