锂电池制造工艺及装备 课件 第5章 锂电池制造技术

第5章电池制造技术锂电制造工艺及装备锂电制造工艺及装备工程思维的方法课程内容介绍课程讲解—知识点锂电行业故事12431.0学习方法---积累与改善不断探求高效的方法，贯穿人生的过程科学逻辑积累改善目标愿景效率原则方法总结制造业基础标准材料装备智能化真正的教学，不是注满一桶水，而是点亮一把火—叶圣陶1.0积累与改善斯蒂芬•科维StephenCoveyThe7HabitsofHighlyEffectivePeopleBeproactiveBeginwiththeendinmindPutfirstthingsfirstThinkwin-winSeekfirstunderstandthentobeunderstoodSynergizeSharpenthesaw1.0积累与改善工程的哲学：可积累的持续改善工程哲学是改变世界的哲学，主要是探索人们怎么去把握和处理好所不能做、什么能做和应该怎样做的问题。

如运用哲学的智慧去及进度的关系问用技术的先进性和成熟性、引进技术与自主创新、质量和造价题，工程建设与生态保护问题，竞争与合作、保密与交流等多重关系问题等。1.0积累与改善工程的哲学：可积累的持续改善成功==达成目标改变=现在的勤劳基数=过去的积累次数=坚持1.0积累与改善工程的哲学：可积累的持续改善技术可积累：天才在于积累,聪明在于勤奋。设计思路及方法积累；各种平台建设积累；标准化积累；鼓励与奖励、强制并重推行；持续改善：满足当前和未来的需求定期改善总结机制；不断学习探索新的、更好的；养成学习提高的习惯；锂电制造工艺及装备工程思维的方法课程内容介绍课程讲解—知识点锂电行业故事12433.1课程讲解---知识点3.1电池的制造特征3.2电池的制造体系建立3.3电池制造安全3.4电池的制造质量3.1通用目的产品及制造通用目的产品的特征：电池是产业的心脏芯片是产业的大脑电动产品的两个支柱资源节约、新能源汽车、清洁能源、储能应用等

成为产业发展的依赖电池成为一种特殊产品——产业基础产品对一个或多个产业发展（如CPU、机器人、钢铁）起到基础、带动、引领、决定作用的产品电池成通用目的产品3.1通用目的产品及制造通用目的产品的制造特征：大规模：单线年产5-10Gwh，满足量产10-20万辆电动汽车的电池需求；高质量：制造合格率大于96%，工序CPK能力大于1.33-1.67。高制造安全：安全因素全监控，目标PPB级管控。芯片与锂电制造芯片制造电芯制造：物质的迁移到位，不是传递、转移。电场以光速传播。电子转移速度不快，0.75mm/s离子穿越迁移，移动受温度，压力，浓度影响；毛细凝聚理论：离子凝聚与脱附按照Kelvin方程；电解液里的迁移固体中的迁动离子键结合：静电作用半导体中，自由电子不受具体原子核约束，信号传递是一种转移机制。离子自由态，离子的转移通过电场光速传输。空隙大小，空隙的分布，离子扩散受温度，压力影响。嵌脱反应：锂的化学势，吉布斯自由能。离子具有有序性，相变变化；颗粒尺寸，浓度，负极褚锂机制等。芯片与电芯的本质区别：电子转移与离子传导、迁移。电池充放电是物质转移过程。3.1半导体与锂电制造特征对比内容相同点不同点芯片产业电芯产业用途通用目的产品、无穷应用处理信息（人的大脑）处理能源（人的心脏）产品机理物理过程：电子移动锂离子/电子直径比大约是千12倍；锂离子/电子质量比大约是3100倍；物理过程，电子移动，信号传递，是单体转移行为。物理+化学过程，离子迁移,能量转移、物质转移过程,是群体转移行为。产品作用无处不在，社会每个侧面。大脑：处理信息，指挥功能心脏：装血液，能源需求。制造特征大规模、无人化、智能化。PPM+PPB级控制制造影响合格率、企业效益制造影响安全、企业存亡升级趋势单位体积的功能成本不断下降。摩尔定律：晶体管密度提升、成本下降能量密度提升，成本下降标准规范需要完整的标准、规范有序发展，不断升级基础薄弱、野蛮生长材料升级材料不断升级精细化、纯度种类，精细化，纯度3.1127354纳米、微米级材料操作--如何均匀，如何评价？锂电池制造特征68软质材料、硬性定位使用要求多元、异构海量数据导致系统复杂，难以用于制造过程优化、控制和决策。不起眼的因素对质量影响很大—时间、空间、湿度、灰尘等产业不断升级：材料、电池结构、制造工艺、装备化工厂+电子厂，连续过程逐步过渡到离散过程，系统线性、非线性、随机动态===关联逻辑关系难以实现一一对应。没有经过长时间、多方面经验积累，很难把电芯做好！结论对锂电制造业的认识—制造特征多物理场耦合，多尺度控形、控性工艺过程内在科学规律不清晰，需要寻找新的方法。缺少有效的系统科学分析方法和系统性能特征评价手段解决制造要求的可重构、大规模、定制化的特征。3.1锂电池制造基础方法确立---从本源出发，回归基础材料制造极片制造芯包制造电芯制造电池制造nm尺度μm尺度mm尺度M级尺度晶胞晶粒颗粒孔隙结构尺度尺度精度配合精度融合程度基于量子理论的制造：材料、结构和性能基于牛顿力学的制造：性能、效率、成本传热、变形、交变应力、膨胀、收缩摩擦、阻尼、弹性、线性、非线性。张力、速度、精度、效率第一性原理、分子动力学、热力学原子、分子结构、电子和离子的输运转移行为、界面变化、耦合效应、尺度变化、过程稳定性。介观过渡3.13.2课程讲解---知识点3.1电池的制造特征3.2电池的制造体系建立3.3电池制造安全3.4电池的制造质量锂电制造产业处于初创阶段未来需求空间巨大—2026年万亿RMB，2030年全球达1万亿USD，超过半导体产业----心脏和大脑的比拼发展。生产能力、制造合格率离实际要求有很大差距---从2G到10G，94%到99%，目前的电芯配组率：75-80%；电池技术不断升级---需要制造技术的不断迭代、需要制造与装备的创新突破；规格品种太多，产业依然有30-40%的行业总体降本空间---主要在合格率，制造成本，规模成本，材料成本方面突破。3.2制造工程体系待完善：标准体系、制造规范尚未建立；电池制造技术体系材料电池设计电池制造电池应用标准规范电池识别与配组组合连接方法追溯与维护梯次利用与回收电池包制造材料标准电池标准制造标准设备标准梯次利用标准回收标准正极负极隔膜电解液壳体其它多物理场模拟尺寸规格电池壳与连接结构与制造材料配组设计浆料制备极片制造芯包制备电芯装配干燥注液化成分容模组制造Pack制造设备网络互连在线数据采集失效模式分析系统集成3.2动力电池智能工厂总体规划工艺设计设备选型材料配置设计电池设计智能化设计环保设计环境设备工厂设计物流系统网络化数据治理数据平台设备开发制造能耗设计来料数字化过程数字化设备数字化质量数字化3.2动力电池规模制造的条件设计满足相关标准：安全、生产、组合、使用基于可制造的设计：装配、测试、组合完善的设计、工艺、制造、质量管理规范规模：达到基本产能，动力电池：日产30万AH,年产1亿安时；制造指标：电池合格率不低于90%,材料利用率不低于82%；适合产能规模的自动化。优秀制造：电池合格率不低于95%，材料利用率不低于90%，电池容量差小于±1%。3.2制造系统构筑的目标原则制造系统设计总体原则：实用、可靠、经济、先进；实用为首；现场系统控制原则：水分、灰尘、毛刺控制和极片的保护；特别规划制造对电池安全性的影响；工序产能、物流节拍的均衡匹配；自动化程度与效率、成本的均衡；重点工序重点控制：制浆、涂布、组装、注液、化成；不同类型的电池有不同的特点和制程控制要点：需认真考究3.2动力电池制造装备选择综合决策：制造安全性、合格率、材料利用率、能耗、成本。1制造安全性：制造过程避免引入不安全的因素或制造方法，如五金模切、超声波极柱焊接。2工序筛选：制造合格率达不到99%以上的工序、工艺方法自然淘汰，如盖板焊接。3年产1G产能，10%投入1500万，按照三年平均折旧，每年500万元。1%的合格率提升，创造利润700万元。3.2建立动力电池制造规范电池制造五个方面的技术标准：建立材料承认书－－测试、认可、替代标准；电芯制造的工艺、生产、品质标准建立；建立电芯量产认可体系：100只，1000只，1万只，10万只；电芯性能认可评估的标准：容量、内阻、自放电、一致性、耐久性、可靠性等；电芯组合、应用评估体系：不同应用条件下电池的组合标准。3.23.3课程讲解---知识点3.1电池的制造特征3.2电池的制造体系建立3.3电池制造安全3.4电池的制造质量2019年79起电动汽车自燃起火大数据分析1、从车辆类型看，65%的事故车辆为乘用车、28%的事故车辆为专用车、7%的事故车辆为客车；2、从动力电池类型看，86%的事故车辆使用三元锂离子电池、7%的事故车辆使用磷酸铁锂电池、7%的事故车辆电池类型不确定；3、从已查明着火原因中，58%的车辆起火源于电池问题，19%的车辆起火源于碰撞问题，还有部分车辆的起火原因源于浸水、零部件故障、使用问题等原因。4、已查明起火原因的车辆中，41%的车辆处于行驶状态、40%的车辆处于静止状态、19%的车辆处于充电状态；3.3电池安全的分类及诱因3.3动力电池安全事故诱因安全的本质滥用缺陷机理机电环境制造、材料枝晶生长3.3动力电池的安全性使用滥用安全性制造精度、毛刺控制、水份、粉尘、连接制造、极片保护、极片膨胀滥用：过热、水、挤压、振动、冲击环境：温度、湿度BMS、电流、电压保护、均衡制造安全性材料安全性：正极、负极、隔膜、电解液、壳体、密封件结构安全性：结构稳固，尺寸公差，集流设计，安全阀设计安全性解决制造安全性高精度全监控体系化TS16949动力电池的制造安全性3.3动力电池制造安全性公共条件：电力、真空、压缩空气污染：粉尘、杂质、异物工作环境：温度、湿度、压力环境控制制造质量动力电池的制造安全性设备环境：磨损异物、引入杂质、掉削浆料制造：加料精度、混合均匀，输送沉降极片制造：涂布厚度，涂布尺寸，滚压分条尺寸芯包制造：分切、叠片、卷绕尺寸，毛刺，对齐电芯装配：虚焊、超声掉粉，拉丝，尺寸干燥注液：注液精度，渗液性，渗液时间，化成分容：电流、电压精度，时间，化成制度正极负极隔膜3.33.4课程讲解---知识点3.1电池的制造特征3.2电池的制造体系建立3.3电池制造安全3.4电池的制造质量动力电池制造能力评估的指标电池制造合格率定义：满足电池要求特性的电池与总投入电池的比，要求特性指电池使用要求的基本特性：如容量、内阻、倍率、尺寸、自放电等材料利用率定义：实际产出合格电池的材料价值与投入材料价值之比；包括构成电池的主材、辅材及回收价人工成本率定义：人工成本在制造成本中所占的比例WH制造成本定义：电池制造周期内，所消耗的费用与在此期间生产的合格电池WH之比；

WH设备投入定义：生产线所有固定投入与连续20小时生产的合格电池WH之比安全指标遵从安全标准，杜绝不安全因素；能耗指数WH能耗标准，每生产WH电芯消耗的能源WH；运转可靠性单机MBTF大于50000小时；生产线总体的DOWNTIMERATE小于10%；3.4动力电池电芯成品率及现状电芯成品率：YC=Y1*Y2*Y3=合格配对电芯数/投入电芯数；目前国内主流企业：

Y1在90-95%，Y2在97-98%，Y3在90-95%最终电芯成品率：YC=77.5-88.5%。Y1(LineYield)=产出电芯数/投入电芯数：制造加工特性Y2测试合格率(Cell

SortYield)：制造性能参数

=测试合格电芯数/产出电芯数Y3配对合格率(PairYield）：一致性与合格率

=合格配对电芯数/测试合格电芯数3.4锂电池制造质量挑战—PPM级制造要求质量等级Cpk范围工序合格率一般制造业锂电池CPK要求A++级Cpk≥2.099.9999%考虑降低成本特优，不用筛选直接使用。A+级2.0＞Cpk≥1.6799.9997%无缺点，考虑降低成本优，应当优化

，提升到A++级，定向筛选使用。A级1.67＞Cpk≥1.3399.97%状态良好，维持现状良好，状态稳定，应提升为A＋级，100%筛选使用。B级1.33＞Cpk≥1.099.38%改进为A级一般，制程有变异和安全隐患，应严格筛选标准，提升为A级，100%筛选使用。C级1.0＞Cpk≥0.6793.32%制程能力不够，应提升CPK不可接受，制程能力太差，应重新整改设计制程。D级0.67＞Cpk69.15%制程能力太差重新设计制程不可接受3.4电芯制造的工程能力CPK99.999%=99.99%20单工序点：CPK=2.00

控制CPK1.331.672.00浆料制备98.76%99.94%99.999%极片制备98.15%99.91%99.999%芯包制造98.15%99.91%99.999%电芯装配95.73%99.65%99.999%干燥注液98.15%99.79%99.999%化成分容98.76%99.94%99.999%整体合格率88.3%99.40%99.99%装备解决方案浆料制备系统（2）极片制备系统（3）芯包制备系统（3）电芯装配系统（7）干燥注液系统（3）化成分容系统（2）整体20个核心工序点热压合芯预焊极柱焊包膜封口入壳3.499.999%（6σ）