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寧德時代等電池廠讓失效率降到十億分之一，背后有這些利器

時間:2023-09-08 20:32來源:NE時代新能源 作者:Leslie
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在下游市場的快速帶動下，動力電池的競爭逐漸白熱化。無論是頭部廠商，還是第二、三梯隊廠商，都面臨著上游材料漲價和下游車企議價降本的壓力。
此時，成本水平，成為電池廠商獲取（或守住）市場份額的核心競爭力之一。但又是哪些因素，對成本影響巨大呢？
電池品類多，難以對成本一窺全貌，但仍可通過每 GWh 的材料投入與生產費用估算。以方形電芯為例，在廠房、人工、能源等開支基本持平的情況下，關鍵設備能力和報廢率——即電池廠家重點考察的優率（成品的 BOM 成本與實際總成本的比值）將體現各家功底。
優率，對動力電池成本有著近乎決定性的作用。而決定優率的，則是更精準的生產技術和更高的質量控制能力。

極限制造，帶來高良率，高效率

對于有近 50 道細分工序的動力電池產線來說，來料、設備、工藝等各環節的百萬分之一失效率的疊加，都會讓優率無法趨于完美。在未來 TWh 量級的市場中，任何一點百分比都將被放大，繼而影響消費者和客戶對于企業的信任。
在大多數工序做到 99.9% 的優率（3σ）的基礎上，極片生產工序仍難以達到 99% 的優率，成為屹立在大部分電池企業面前的難關。

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電池生產環節中的關鍵工序 來源：NE時代整理分析
由降本驅動的對關鍵工序新工藝的大膽嘗試和加大質量管控體系，必不可少。
面對“極高的質量要求，極復雜的工藝流程，極快的生產速度”三大挑戰，寧德時代、中創新航等均提出了“極限制造”的理念，積極引入車規級質量體系，提高質量檢測水平，以小勝決大勝。
綜合各家電池企業對“極限制造”的闡述，通過質量體系的引入，電池企業逐步建立“檢測一控制一執行的閉環，將人、機、料、法、環、測等工程因素全方位納入考量，鋰電池生產向著可探測、可改進、可追溯的方向邁進。
以代表最高電池制造水平的寧德時代為例，寧德總部生產基地平均每1.7秒可生產一個電芯，設備對產品尺寸的精準控制從微米級到千米級，全生產流程設置了超過6800個質量控制點，每個電池平均追溯數據超過1萬項，每顆電芯下倉前都會經過100+的檢測工序，同時將勞動生產率提高75%，將每年的能源消耗降低了10%。宜賓工廠在總部基地的基礎上，實現生產線速度17%提升，優率損失降低17%。
根據最新消息，在過往 7 代產線的經驗累積下，寧德時代對工藝和設備大幅升級，鑄造第 8 代超級智造產線-PSL，實現競爭力的大幅領先，人員數量下降 70%，速度提升 300%，產品單體缺陷率達到 DPPB 級別。
通過智能精細管控，電池企業不僅可以提高動力電池的生產效率，還可以通過各種方式顯著降低成本，從而提高企業的競爭力。這些改進最終也有利于推動電動汽車和可再生能源等領域的發展，實現更廣泛的社會和經濟效益。

讓電池失效率降至ppb成為可能
數字化和智能化技術，實際上在動力電池各個環節中都發揮關鍵作用，貫穿電芯設計、材料配比、裸電芯制造、電池殼體生產和電池包裝配全過程。
數字化的工具和模型可在電芯設計和材料配比時提供精準的勾勒，為正負極、電解液、隔膜等關鍵材料的配方選擇和匹配進行仿真、驗證，并給出相應的設計方案。
具體到智能檢測工具上，蔡司和賽默飛都推出了聚焦離子束顯微鏡。當需要分析各種成分的分布，需要模擬仿真，需要看到內部結構時，聚焦離子束（FIB）可以依托低電壓成像，能掃描更多 3D 細節，可以做多種測試，令研發工作成效更高。在加工、成像或是實現三維重構分析時，蔡司雙束電鏡 Crossbeam 系列將大大提升 FIB 的應用效率。

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利用 FIB 技術切割樣品，并用 AI 技術準確分割電極材料顆粒的三維數據 來源：蔡司
在生產制造環節，高數字化、智能化生產線通過傳感器和數據分析工具，實現實時監控與預測；使用機器學習算法，自動檢測產品缺陷和質量問題，并進行實時調整，實現高質量控制。
按照生產工藝，通常將電芯生產分為前中后段和模組 &PACK 制造，最終完成電池包的生產。不同環節的關鍵特性有著很大的差別。其中，前段工藝的生產物為混合漿料與涂敷極片，需重點關注各層面結構的一致性、均勻性。中段為電芯裝配，需要精準控制極片對其的尺寸參數，確保其穩定。后段為入殼電芯的化成測試，首先也要保證裝配的高精度和清潔度，以便最后進行電性能的各項測試。
這些環節都離不開高精密、高度自動化、無損、智能的檢測設備，包括光學顯微鏡、電子顯微鏡、激光測厚X-Ray、CCD 檢測、工業 CT 和統計分析軟件，以及它們的派生方案和組合方案等等，讓電池失效率降至百萬級 (ppm) 甚至十億級(ppb) 成為可能。
在前段工藝中，蔡司場發射掃描電鏡，具有擴展功能強大、兼容多種探測器、原位成像等優點，可以快速高效的檢測到原始顆粒的形貌、成分、結構、晶相等。最后，ZEN Core 軟件提供了從采集到定量分析的全 QA 步驟，讓微觀參數在生產中完成閉環。
蔡司更是推出了 X 射線顯微鏡，對極片進行無損的高分辨 3D 掃描。無損掃描避免了特殊制樣的麻煩。傳統的CT 通常分辨率在微米至亞微米級別，分辨率越高，樣品需制備越小。但蔡司結合了 CT 的傳統幾何放大，加上光鏡的二次放大技術，在樣品正常大小下，仍能對其進行高分辨掃描。并通過專業分析軟件，可以獲得迂曲率和孔隙率等參數，幫助電池廠商來優化工藝參數。

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X 射線顯微鏡下的極片輥壓 3D圖 來源：蔡司
為及時發現毛刺，控制毛刺流出，蔡司的毛刺半自動化檢測方案搭載 CNC 載物臺，設定好程序后，自動用低倍率沿極片輪廓拍照掃描，發現可疑位置，再用高倍率針對可疑位置拍照，自動測量其尺寸，輸出報告。搭配特殊的夾具設計，完成極片翻轉，從水平和垂直角度全方位的測量。最大限度的節約了抽檢所需時間。
在中后段工序中，像蔡司的工業 CT 方案，可以幫助客戶完成多種缺陷的甄別，無論在線邊抽檢還是失效分析，將成品電芯的安全性提高到新的高度，也區別了各家電芯的質量，讓越來越多的電池廠開始意識到 CT 的重要性。
在模組 &Pack 工序中，CT技術可以無損檢測、定位、分類和評估關鍵區域的內部缺陷，如空腔、氣孔、裂縫等，以識別有缺陷的電池托盤件。蔡司三坐標量機在單個檢測計劃內，
可自動在接觸式測頭、光學測頭之間進行切換，這能夠監測到盡可能多的測量點并執行可靠且可重復的測量。各種零部件特征的測量完成后，即可在應用軟件和 ZEISS PiWeb 中直觀地顯示分析結果。
在各廠家在積極研發下，鋰電行業的 CT 產品向著“在線監測、自動識別”的方向不斷突破。除開硬件因素，還有基于真實缺陷模型的模擬軟件。通過模擬掃描過程中發生的物理效應，應用深度學習 / 神經網絡，判斷哪個像素是缺陷像素，減輕人力負擔的同時得出準確的數據池。
整體來看，檢測手段正向著“單一指標→多指標”、“2D 成像→3D成像”、“離線檢測→在線檢測”、“有損檢測→無損檢測”、“手動分析→自動分析”等趨勢不斷發展，并配合統計分析軟件，為動力電池的性能提升和成本優化提供著更加“趁手的工具”。
電池企業在基礎研發和質量控制中精益求精，才能制造出更高性能的電池產品，進而實現技術領先、構建自身壁壘。
這也為行業發展發揮著更大的促進勢能，無疑可以讓動力電池行業的前景更加值得期待。
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 電池廠 寧德時代
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