动力电池制造的难点与挑战

以2010年为肇始，中国动力电池产业驶入了10年增长快车道，10年来，产业链经历了萌动、躁热、疯狂、骤冷、回暖、洗牌、理性、丰满。

10年来，中国动力电池产业从破土的幼苗，到羽翼丰满，臂膀壮硕，并开始走向世界舞台中央，成为全球电动化的主角。

回望十年路，预见新征途。在新旧十年转换之际，高工锂电发起“中国动力电池十年回望”系列策划，通过专题、专访、口述等形式回望产业发展得与失，勾勒新十年产业图景。

动力电池制造正在进入大规模生产的导入期，从全球看，到2025年将实现1000GWh的制造能力。这对于整个生产制造环节提出了更高的要求，包括大规模制造的要求、对于智能化的要求。

而真正的大规模制造不是空中楼阁，而是能够通过切实可行的方式来提升制造效率、品质，并降低成本。

“基于科学认识电池的制造是解决质量、效率、成本的关键；而标准化是产业的基础，基于标准化行业有30%以上的降本空间。同时，动力电池制造技术必须与材料、原理深度融合。”这是吉阳智能董事长阳如坤给出的判断。

他认为，产业从导入期进入快速成长期，动力电池在中国很快会成为万亿产业，制造难度和规模大于半导体产业，动力电池制造规模化、智能化转型迫在眉睫。

动力电池制造能力评估指标主要有电池制造合格率、材料利用率、人工成本率、WH制造成本、安全指标、能耗指数、运转可靠性等，其中电池制造合格率、材料利用率是关注重点。

在阳如坤看来，就企业层面来说，产业链企业需在电池设计、制造工艺、生产管理、质量管理等不同阶段规范操作，同时采用的电池材料、电池结构没有明显缺陷，并且制程工艺的制程能力需大于1.33（合格率大于99.38%）等。

产能需具备规模化条件，单线产能达2-4GWh，并且电池制造合格率应不低于96%, 材料利用率不低于95%。

不过，动力电池大规模制造目前依然面临诸多难点与挑战，这其中既有企业自身层面的基础问题、机理不清晰，认识不够、努力不够等内部因素，也有动力电池制造因素众多，产业标准不一等外部阻碍。

四大难点

在阳如坤看来，阻碍动力电池规模制造的最大难点是，基础问题、机理不清晰，且没有定量化，因素众多、系统复杂，且难以准确量化。

一是，电池研究中的机理核心问题量化。包括表界面反应、SEI膜、结构演化、离子/电子运输、电荷转移、电压调控、应力演化等机理问题，通过热力学、动力学、耦合效应、尺度效应等维度做到量化，而非停留在概念。

二是，动力电池制造过程中安全机理、设计的结构与尺度、制造模型与数字化机理三大领域依然存在诸多难点。

其中，安全机理涉及热失控机理与抑制，锂枝晶产生、抑制及消除，制造安全管控和使用监控、使用安全管理等，如锂枝晶生长会刺穿隔膜导致短路，死锂导致电池衰减等。

三是，电池材料制造控制面临的难题。三元正极材料特性压实密度大、硬脆；负极尤其硅碳负极膨胀20-30%，对电池的影响十分大，还有湿度控制、制造精度、时间控制、材料化学浸润、材料物理浸润及机械设备浸润等。

四是，制造安全管控难，包括制造精度、毛刺控制、水份、粉尘、连接制造、极片保护、极片膨胀制造问题待解。

总结来说，规模制造的难点体现在缺乏完整定量理论支撑，只有定性描述，试验验证建立科学经验、规律，并且制造质量要求高、尺寸规格多，以及安全问题错综复杂等等。

并同时保证来料数字化及过程数字化，确保液体、粉体的量、杂质、状态在线检测、监控，建立浆料、极片、材料的数字化模型。

三大挑战

阳如坤定义的痛点是，本该做好，而我们没能做好，包括认识不够、努力不够，最终未能达到目标。

当前动力电池大规模制造依然面临诸多挑战，他认为集中在标准化、质量及成本等多领域。

其一，标准化，也是大规模制造的基础。其程度决定了产品的成本及质量合格率，主要涉及领域包括尺寸规格标准、制造工艺过程、材料标准化等。

当前电芯尺寸种类繁多，不同电池类型规格不一。而对尺寸类型、尺寸数量、接口等标准化后，不仅可提升合格率，成本有望下降20-30%等。

其二，车规级动力电池制造质量缺失。阳如坤认为，动力电池的制造合格率，是动力电池企业生存的关键，不仅关系到制造企业的成本，更关系到动力电池的安全。

当前全球动力电池制造合格率依然处于B级水平，CPK处于1.0到1.33之间，制程会隐含变异和安全隐患，需采用更严格筛选检测标准，需应用各种资源及方法将其提升为A级。

目标是车规级动力电池制造标准要求CPK水平做到2.0及以上，保证生产出来的电池都能实现装车。

其三，装备野蛮生长。整个新型工艺装备产生的过程，包括工艺研究、指标验证、样机开发、量产制造，目前依然没有一个统一平台规划整个制造过程。

为此，阳如坤建议设立一个统一的工艺平台，并重点围绕极片制造工艺及装备研发平台、电芯制造工艺与装备研发平台、模组PACK制造工艺与装备研发平台、电池回收工艺与装备研发平台、智能制造体系平台及固态电池工艺与装备平台等六大领域展开。

他强调，电池制造未来是一个万亿级的巨大产业，装备应当得到充分重视、作为独立产业、系统规划。

此外还存在用户的强势与商业模式等问题，如电池结构与尺寸过度满足主机厂要求，导致性能与规格的失衡。

应对策略

阳如坤表示，基于科学认识电池的的制造是解决质量、效率、成本的关键，而标准化是产业的基础，动力电池行业标准化有30%以上的降本价值空间，同时制造技术必须与材料、原理深度融合。

而制造及装备主导的质量与成本主要体现在精度合格率、制造安全性及效率成本三大领域。如通过高速化、工序一体化及统计质量控制等，FPY合格率目标99%，材料利用率97%等，在效率成本上，单机设备产能1GWh，分段一体化到整线一体化。

围绕加强制造机理研究、数字化机理模型、制造及装备主导的质量与成本分析等领域提出了相应的应对策略。

其一，搞清制造机理及研究数字化机理模型。过去普遍靠排比试验确定设计、制造参数，多次优化，达到逼近真实的情况，存在的问题是耗时长、精确度不够等。

而基于大数据深度学习方法建立机理模型，通过大数据分析、仿真、优化等途径找出理论值，实现一次性验证完成，缩短时间，并有效的提升生产效率。

其二，大规模电池制造结构上，复合式叠片原理实现高速、不会重片、隔膜、极片不会褶皱。

其三，电芯规格标准化，通过减少品种、技术优化、性能提升等方式，实现平均材料成本、固定成本摊销大幅下降。

此外，电芯规格标准化也能给产业带来红利，当前动力电池产能每增加1倍，成本约降低15%。按照这个节奏初略估算，未来3年总成本可下降30%以上。

其四，构建锂电智能工厂，打造动力电池大数据分析与闭环，实现设备、物料、系统互联互通，并设置大于3500个质量数据监控点，基于二维码ID（Barcode)双向追溯系统。

制造主导了动力电池质量、安全提升、盈利提升。目前电芯核心制造工序控制指标约20个，假设单工序合格率99.38%，则整体合格率88.3%，核心工序CPK大于1.33。

若单工序合格率提升0.57%，则相应的整体合格率达到99%，核心工序CPK大于1.67。此外，提升电池生产合格率、材料利用率可有效提升动力电池的利润空间。