動力電池制造的難點與挑戰(zhàn)

以2010年為肇始，中國動力電池產(chǎn)業(yè)駛?cè)肓?0年增長快車道，10年來，產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)歷了萌動、躁熱、瘋狂、驟冷、回暖、洗牌、理性、豐滿。

10年來，中國動力電池產(chǎn)業(yè)從破土的幼苗，到羽翼豐滿，臂膀壯碩，并開始走向世界舞臺中央，成為全球電動化的主角。

回望十年路，預(yù)見新征途。在新舊十年轉(zhuǎn)換之際，高工鋰電發(fā)起“中國動力電池十年回望”系列策劃，通過專題、專訪、口述等形式回望產(chǎn)業(yè)發(fā)展得與失，勾勒新十年產(chǎn)業(yè)圖景。

動力電池制造正在進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)的導(dǎo)入期，從全球看，到2025年將實現(xiàn)1000GWh的制造能力。這對于整個生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)提出了更高的要求，包括大規(guī)模制造的要求、對于智能化的要求。

而真正的大規(guī)模制造不是空中樓閣，而是能夠通過切實可行的方式來提升制造效率、品質(zhì)，并降低成本。

“基于科學(xué)認(rèn)識電池的制造是解決質(zhì)量、效率、成本的關(guān)鍵；而標(biāo)準(zhǔn)化是產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，基于標(biāo)準(zhǔn)化行業(yè)有30%以上的降本空間。同時，動力電池制造技術(shù)必須與材料、原理深度融合?！边@是吉陽智能董事長陽如坤給出的判斷。

他認(rèn)為，產(chǎn)業(yè)從導(dǎo)入期進(jìn)入快速成長期，動力電池在中國很快會成為萬億產(chǎn)業(yè)，制造難度和規(guī)模大于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，動力電池制造規(guī)?；⒅悄芑D(zhuǎn)型迫在眉睫。

動力電池制造能力評估指標(biāo)主要有電池制造合格率、材料利用率、人工成本率、WH制造成本、安全指標(biāo)、能耗指數(shù)、運轉(zhuǎn)可靠性等，其中電池制造合格率、材料利用率是關(guān)注重點。

在陽如坤看來，就企業(yè)層面來說，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)需在電池設(shè)計、制造工藝、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理等不同階段規(guī)范操作，同時采用的電池材料、電池結(jié)構(gòu)沒有明顯缺陷，并且制程工藝的制程能力需大于1.33（合格率大于99.38%）等。

產(chǎn)能需具備規(guī)?；瘲l件，單線產(chǎn)能達(dá)2-4GWh，并且電池制造合格率應(yīng)不低于96%, 材料利用率不低于95%。

不過，動力電池大規(guī)模制造目前依然面臨諸多難點與挑戰(zhàn)，這其中既有企業(yè)自身層面的基礎(chǔ)問題、機理不清晰，認(rèn)識不夠、努力不夠等內(nèi)部因素，也有動力電池制造因素眾多，產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不一等外部阻礙。

四大難點

在陽如坤看來，阻礙動力電池規(guī)模制造的最大難點是，基礎(chǔ)問題、機理不清晰，且沒有定量化，因素眾多、系統(tǒng)復(fù)雜，且難以準(zhǔn)確量化。

一是，電池研究中的機理核心問題量化。包括表界面反應(yīng)、SEI膜、結(jié)構(gòu)演化、離子/電子運輸、電荷轉(zhuǎn)移、電壓調(diào)控、應(yīng)力演化等機理問題，通過熱力學(xué)、動力學(xué)、耦合效應(yīng)、尺度效應(yīng)等維度做到量化，而非停留在概念。

二是，動力電池制造過程中安全機理、設(shè)計的結(jié)構(gòu)與尺度、制造模型與數(shù)字化機理三大領(lǐng)域依然存在諸多難點。

其中，安全機理涉及熱失控機理與抑制，鋰枝晶產(chǎn)生、抑制及消除，制造安全管控和使用監(jiān)控、使用安全管理等，如鋰枝晶生長會刺穿隔膜導(dǎo)致短路，死鋰導(dǎo)致電池衰減等。

三是，電池材料制造控制面臨的難題。三元正極材料特性壓實密度大、硬脆；負(fù)極尤其硅碳負(fù)極膨脹20-30%，對電池的影響十分大，還有濕度控制、制造精度、時間控制、材料化學(xué)浸潤、材料物理浸潤及機械設(shè)備浸潤等。

四是，制造安全管控難，包括制造精度、毛刺控制、水份、粉塵、連接制造、極片保護(hù)、極片膨脹制造問題待解。

總結(jié)來說，規(guī)模制造的難點體現(xiàn)在缺乏完整定量理論支撐，只有定性描述，試驗驗證建立科學(xué)經(jīng)驗、規(guī)律，并且制造質(zhì)量要求高、尺寸規(guī)格多，以及安全問題錯綜復(fù)雜等等。

并同時保證來料數(shù)字化及過程數(shù)字化，確保液體、粉體的量、雜質(zhì)、狀態(tài)在線檢測、監(jiān)控，建立漿料、極片、材料的數(shù)字化模型。

三大挑戰(zhàn)

陽如坤定義的痛點是，本該做好，而我們沒能做好，包括認(rèn)識不夠、努力不夠，最終未能達(dá)到目標(biāo)。

當(dāng)前動力電池大規(guī)模制造依然面臨諸多挑戰(zhàn)，他認(rèn)為集中在標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量及成本等多領(lǐng)域。

其一，標(biāo)準(zhǔn)化，也是大規(guī)模制造的基礎(chǔ)。其程度決定了產(chǎn)品的成本及質(zhì)量合格率，主要涉及領(lǐng)域包括尺寸規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)、制造工藝過程、材料標(biāo)準(zhǔn)化等。

當(dāng)前電芯尺寸種類繁多，不同電池類型規(guī)格不一。而對尺寸類型、尺寸數(shù)量、接口等標(biāo)準(zhǔn)化后，不僅可提升合格率，成本有望下降20-30%等。

其二，車規(guī)級動力電池制造質(zhì)量缺失。陽如坤認(rèn)為，動力電池的制造合格率，是動力電池企業(yè)生存的關(guān)鍵，不僅關(guān)系到制造企業(yè)的成本，更關(guān)系到動力電池的安全。

當(dāng)前全球動力電池制造合格率依然處于B級水平，CPK處于1.0到1.33之間，制程會隱含變異和安全隱患，需采用更嚴(yán)格篩選檢測標(biāo)準(zhǔn)，需應(yīng)用各種資源及方法將其提升為A級。

目標(biāo)是車規(guī)級動力電池制造標(biāo)準(zhǔn)要求CPK水平做到2.0及以上，保證生產(chǎn)出來的電池都能實現(xiàn)裝車。

其三，裝備野蠻生長。整個新型工藝裝備產(chǎn)生的過程，包括工藝研究、指標(biāo)驗證、樣機開發(fā)、量產(chǎn)制造，目前依然沒有一個統(tǒng)一平臺規(guī)劃整個制造過程。

為此，陽如坤建議設(shè)立一個統(tǒng)一的工藝平臺，并重點圍繞極片制造工藝及裝備研發(fā)平臺、電芯制造工藝與裝備研發(fā)平臺、模組PACK制造工藝與裝備研發(fā)平臺、電池回收工藝與裝備研發(fā)平臺、智能制造體系平臺及固態(tài)電池工藝與裝備平臺等六大領(lǐng)域展開。

他強調(diào)，電池制造未來是一個萬億級的巨大產(chǎn)業(yè)，裝備應(yīng)當(dāng)?shù)玫匠浞种匾暋⒆鳛楠毩a(chǎn)業(yè)、系統(tǒng)規(guī)劃。

此外還存在用戶的強勢與商業(yè)模式等問題，如電池結(jié)構(gòu)與尺寸過度滿足主機廠要求，導(dǎo)致性能與規(guī)格的失衡。

應(yīng)對策略

陽如坤表示，基于科學(xué)認(rèn)識電池的的制造是解決質(zhì)量、效率、成本的關(guān)鍵，而標(biāo)準(zhǔn)化是產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，動力電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化有30%以上的降本價值空間，同時制造技術(shù)必須與材料、原理深度融合。

而制造及裝備主導(dǎo)的質(zhì)量與成本主要體現(xiàn)在精度合格率、制造安全性及效率成本三大領(lǐng)域。如通過高速化、工序一體化及統(tǒng)計質(zhì)量控制等，F(xiàn)PY合格率目標(biāo)99%，材料利用率97%等，在效率成本上，單機設(shè)備產(chǎn)能1GWh，分段一體化到整線一體化。

圍繞加強制造機理研究、數(shù)字化機理模型、制造及裝備主導(dǎo)的質(zhì)量與成本分析等領(lǐng)域提出了相應(yīng)的應(yīng)對策略。

其一，搞清制造機理及研究數(shù)字化機理模型。過去普遍靠排比試驗確定設(shè)計、制造參數(shù)，多次優(yōu)化，達(dá)到逼近真實的情況，存在的問題是耗時長、精確度不夠等。

而基于大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)方法建立機理模型，通過大數(shù)據(jù)分析、仿真、優(yōu)化等途徑找出理論值，實現(xiàn)一次性驗證完成，縮短時間，并有效的提升生產(chǎn)效率。

其二，大規(guī)模電池制造結(jié)構(gòu)上，復(fù)合式疊片原理實現(xiàn)高速、不會重片、隔膜、極片不會褶皺。

其三，電芯規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化，通過減少品種、技術(shù)優(yōu)化、性能提升等方式，實現(xiàn)平均材料成本、固定成本攤銷大幅下降。

此外，電芯規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化也能給產(chǎn)業(yè)帶來紅利，當(dāng)前動力電池產(chǎn)能每增加1倍，成本約降低15%。按照這個節(jié)奏初略估算，未來3年總成本可下降30%以上。

其四，構(gòu)建鋰電智能工廠，打造動力電池大數(shù)據(jù)分析與閉環(huán)，實現(xiàn)設(shè)備、物料、系統(tǒng)互聯(lián)互通，并設(shè)置大于3500個質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)控點，基于二維碼ID（Barcode)雙向追溯系統(tǒng)。

制造主導(dǎo)了動力電池質(zhì)量、安全提升、盈利提升。目前電芯核心制造工序控制指標(biāo)約20個，假設(shè)單工序合格率99.38%，則整體合格率88.3%，核心工序CPK大于1.33。

若單工序合格率提升0.57%，則相應(yīng)的整體合格率達(dá)到99%，核心工序CPK大于1.67。此外，提升電池生產(chǎn)合格率、材料利用率可有效提升動力電池的利潤空間。