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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(chǎn)費(fèi)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(guān)鍵設(shè)備能力和報廢率——即電池廠家重點考察的優(yōu)率（成品的 BOM 成本與實際總成本的比值）將體現(xiàn)各家功底。
優(yōu)率，對動力電池成本有著近乎決定性的作用。而決定優(yōu)率的，則是更精準(zhǔn)的生產(chǎn)技術(shù)和更高的質(zhì)量控制能力。

極限制造，帶來高良率，高效率

對于有近 50 道細(xì)分工序的動力電池產(chǎn)線來說，來料、設(shè)備、工藝等各環(huán)節(jié)的百萬分之一失效率的疊加，都會讓優(yōu)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(fèi)者和客戶對于企業(yè)的信任。
在大多數(shù)工序做到 99.9% 的優(yōu)率（3σ）的基礎(chǔ)上，極片生產(chǎn)工序仍難以達(dá)到 99% 的優(yōu)率，成為屹立在大部分電池企業(yè)面前的難關(guān)。

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電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵工序 來源：NE時代整理分析
由降本驅(qū)動的對關(guān)鍵工序新工藝的大膽嘗試和加大質(zhì)量管控體系，必不可少。
面對“極高的質(zhì)量要求，極復(fù)雜的工藝流程，極快的生產(chǎn)速度”三大挑戰(zhàn)，寧德時代、中創(chuàng)新航等均提出了“極限制造”的理念，積極引入車規(guī)級質(zhì)量體系，提高質(zhì)量檢測水平，以小勝決大勝。
綜合各家電池企業(yè)對“極限制造”的闡述，通過質(zhì)量體系的引入，電池企業(yè)逐步建立“檢測一控制一執(zhí)行的閉環(huán)，將人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等工程因素全方位納入考量，鋰電池生產(chǎn)向著可探測、可改進(jìn)、可追溯的方向邁進(jìn)。
以代表最高電池制造水平的寧德時代為例，寧德總部生產(chǎn)基地平均每1.7秒可生產(chǎn)一個電芯，設(shè)備對產(chǎn)品尺寸的精準(zhǔn)控制從微米級到千米級，全生產(chǎn)流程設(shè)置了超過6800個質(zhì)量控制點，每個電池平均追溯數(shù)據(jù)超過1萬項，每顆電芯下倉前都會經(jīng)過100+的檢測工序，同時將勞動生產(chǎn)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(chǔ)上，實現(xiàn)生產(chǎn)線速度17%提升，優(yōu)率損失降低17%。
根據(jù)最新消息，在過往 7 代產(chǎn)線的經(jīng)驗累積下，寧德時代對工藝和設(shè)備大幅升級，鑄造第 8 代超級智造產(chǎn)線-PSL，實現(xiàn)競爭力的大幅領(lǐng)先，人員數(shù)量下降 70%，速度提升 300%，產(chǎn)品單體缺陷率達(dá)到 DPPB 級別。
通過智能精細(xì)管控，電池企業(yè)不僅可以提高動力電池的生產(chǎn)效率，還可以通過各種方式顯著降低成本，從而提高企業(yè)的競爭力。這些改進(jìn)最終也有利于推動電動汽車和可再生能源等領(lǐng)域的發(fā)展，實現(xiàn)更廣泛的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

讓電池失效率降至ppb成為可能
數(shù)字化和智能化技術(shù)，實際上在動力電池各個環(huán)節(jié)中都發(fā)揮關(guān)鍵作用，貫穿電芯設(shè)計、材料配比、裸電芯制造、電池殼體生產(chǎn)和電池包裝配全過程。
數(shù)字化的工具和模型可在電芯設(shè)計和材料配比時提供精準(zhǔn)的勾勒，為正負(fù)極、電解液、隔膜等關(guān)鍵材料的配方選擇和匹配進(jìn)行仿真、驗證，并給出相應(yīng)的設(shè)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(dāng)需要分析各種成分的分布，需要模擬仿真，需要看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，聚焦離子束（FIB）可以依托低電壓成像，能掃描更多 3D 細(xì)節(jié)，可以做多種測試，令研發(fā)工作成效更高。在加工、成像或是實現(xiàn)三維重構(gòu)分析時，蔡司雙束電鏡 Crossbeam 系列將大大提升 FIB 的應(yīng)用效率。

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利用 FIB 技術(shù)切割樣品，并用 AI 技術(shù)準(zhǔn)確分割電極材料顆粒的三維數(shù)據(jù) 來源：蔡司
在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，高數(shù)字化、智能化生產(chǎn)線通過傳感器和數(shù)據(jù)分析工具，實現(xiàn)實時監(jiān)控與預(yù)測；使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，自動檢測產(chǎn)品缺陷和質(zhì)量問題，并進(jìn)行實時調(diào)整，實現(xiàn)高質(zhì)量控制。
按照生產(chǎn)工藝，通常將電芯生產(chǎn)分為前中后段和模組 &PACK 制造，最終完成電池包的生產(chǎn)。不同環(huán)節(jié)的關(guān)鍵特性有著很大的差別。其中，前段工藝的生產(chǎn)物為混合漿料與涂敷極片，需重點關(guān)注各層面結(jié)構(gòu)的一致性、均勻性。中段為電芯裝配，需要精準(zhǔn)控制極片對其的尺寸參數(shù)，確保其穩(wěn)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(jìn)行電性能的各項測試。
這些環(huán)節(jié)都離不開高精密、高度自動化、無損、智能的檢測設(shè)備，包括光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、激光測厚X-Ray、CCD 檢測、工業(yè) CT 和統(tǒng)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(fā)射掃描電鏡，具有擴(kuò)展功能強(qiáng)大、兼容多種探測器、原位成像等優(yōu)點，可以快速高效的檢測到原始顆粒的形貌、成分、結(jié)構(gòu)、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(shù)在生產(chǎn)中完成閉環(huán)。
蔡司更是推出了 X 射線顯微鏡，對極片進(jìn)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(tǒng)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(jié)合了 CT 的傳統(tǒng)幾何放大，加上光鏡的二次放大技術(shù)，在樣品正常大小下，仍能對其進(jìn)行高分辨掃描。并通過專業(yè)分析軟件，可以獲得迂曲率和孔隙率等參數(shù)，幫助電池廠商來優(yōu)化工藝參數(shù)。

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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(fā)現(xiàn)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(shè)定好程序后，自動用低倍率沿極片輪廓拍照掃描，發(fā)現(xiàn)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(shè)計，完成極片翻轉(zhuǎn)，從水平和垂直角度全方位的測量。最大限度的節(jié)約了抽檢所需時間。
在中后段工序中，像蔡司的工業(yè) 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(qū)別了各家電芯的質(zhì)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(shù)可以無損檢測、定位、分類和評估關(guān)鍵區(qū)域的內(nèi)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(biāo)量機(jī)在單個檢測計劃內(nèi)，
可自動在接觸式測頭、光學(xué)測頭之間進(jìn)行切換，這能夠監(jiān)測到盡可能多的測量點并執(zhí)行可靠且可重復(fù)的測量。各種零部件特征的測量完成后，即可在應(yīng)用軟件和 ZEISS PiWeb 中直觀地顯示分析結(jié)果。
在各廠家在積極研發(fā)下，鋰電行業(yè)的 CT 產(chǎn)品向著“在線監(jiān)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(fā)生的物理效應(yīng)，應(yīng)用深度學(xué)習(xí) / 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，判斷哪個像素是缺陷像素，減輕人力負(fù)擔(dān)的同時得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)池。
整體來看，檢測手段正向著“單一指標(biāo)→多指標(biāo)”、“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(fā)展，并配合統(tǒng)計分析軟件，為動力電池的性能提升和成本優(yōu)化提供著更加“趁手的工具”。
電池企業(yè)在基礎(chǔ)研發(fā)和質(zhì)量控制中精益求精，才能制造出更高性能的電池產(chǎn)品，進(jìn)而實現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)先、構(gòu)建自身壁壘。
這也為行業(yè)發(fā)展發(fā)揮著更大的促進(jìn)勢能，無疑可以讓動力電池行業(yè)的前景更加值得期待。
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池廠 寧德時代
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