鋰電池制造工藝及裝備 課件 第5章 鋰電池制造技術(shù)

第5章電池制造技術(shù)鋰電制造工藝及裝備鋰電制造工藝及裝備工程思維的方法課程內(nèi)容介紹課程講解—知識(shí)點(diǎn)鋰電行業(yè)故事12431.0學(xué)習(xí)方法---積累與改善不斷探求高效的方法，貫穿人生的過(guò)程科學(xué)邏輯積累改善目標(biāo)愿景效率原則方法總結(jié)制造業(yè)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)材料裝備智能化真正的教學(xué)，不是注滿一桶水，而是點(diǎn)亮一把火—葉圣陶1.0積累與改善斯蒂芬?科維StephenCoveyThe7HabitsofHighlyEffectivePeopleBeproactiveBeginwiththeendinmindPutfirstthingsfirstThinkwin-winSeekfirstunderstandthentobeunderstoodSynergizeSharpenthesaw1.0積累與改善工程的哲學(xué)：可積累的持續(xù)改善工程哲學(xué)是改變世界的哲學(xué)，主要是探索人們?cè)趺慈グ盐蘸吞幚砗盟荒茏觥⑹裁茨茏龊蛻?yīng)該怎樣做的問(wèn)題。

如運(yùn)用哲學(xué)的智慧去及進(jìn)度的關(guān)系問(wèn)用技術(shù)的先進(jìn)性和成熟性、引進(jìn)技術(shù)與自主創(chuàng)新、質(zhì)量和造價(jià)題，工程建設(shè)與生態(tài)保護(hù)問(wèn)題，競(jìng)爭(zhēng)與合作、保密與交流等多重關(guān)系問(wèn)題等。1.0積累與改善工程的哲學(xué)：可積累的持續(xù)改善成功==達(dá)成目標(biāo)改變=現(xiàn)在的勤勞基數(shù)=過(guò)去的積累次數(shù)=堅(jiān)持1.0積累與改善工程的哲學(xué)：可積累的持續(xù)改善技術(shù)可積累：天才在于積累,聰明在于勤奮。設(shè)計(jì)思路及方法積累；各種平臺(tái)建設(shè)積累；標(biāo)準(zhǔn)化積累；鼓勵(lì)與獎(jiǎng)勵(lì)、強(qiáng)制并重推行；持續(xù)改善：滿足當(dāng)前和未來(lái)的需求定期改善總結(jié)機(jī)制；不斷學(xué)習(xí)探索新的、更好的；養(yǎng)成學(xué)習(xí)提高的習(xí)慣；鋰電制造工藝及裝備工程思維的方法課程內(nèi)容介紹課程講解—知識(shí)點(diǎn)鋰電行業(yè)故事12433.1課程講解---知識(shí)點(diǎn)3.1電池的制造特征3.2電池的制造體系建立3.3電池制造安全3.4電池的制造質(zhì)量3.1通用目的產(chǎn)品及制造通用目的產(chǎn)品的特征：電池是產(chǎn)業(yè)的心臟芯片是產(chǎn)業(yè)的大腦電動(dòng)產(chǎn)品的兩個(gè)支柱資源節(jié)約、新能源汽車(chē)、清潔能源、儲(chǔ)能應(yīng)用等

成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的依賴(lài)電池成為一種特殊產(chǎn)品——產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)產(chǎn)品對(duì)一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展（如CPU、機(jī)器人、鋼鐵）起到基礎(chǔ)、帶動(dòng)、引領(lǐng)、決定作用的產(chǎn)品電池成通用目的產(chǎn)品3.1通用目的產(chǎn)品及制造通用目的產(chǎn)品的制造特征：大規(guī)模：?jiǎn)尉€年產(chǎn)5-10Gwh，滿足量產(chǎn)10-20萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)的電池需求；高質(zhì)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：安全因素全監(jiān)控，目標(biāo)PPB級(jí)管控。芯片與鋰電制造芯片制造電芯制造：物質(zhì)的遷移到位，不是傳遞、轉(zhuǎn)移。電場(chǎng)以光速傳播。電子轉(zhuǎn)移速度不快，0.75mm/s離子穿越遷移，移動(dòng)受溫度，壓力，濃度影響；毛細(xì)凝聚理論：離子凝聚與脫附按照Kelvin方程；電解液里的遷移固體中的遷動(dòng)離子鍵結(jié)合：靜電作用半導(dǎo)體中，自由電子不受具體原子核約束，信號(hào)傳遞是一種轉(zhuǎn)移機(jī)制。離子自由態(tài)，離子的轉(zhuǎn)移通過(guò)電場(chǎng)光速傳輸。空隙大小，空隙的分布，離子擴(kuò)散受溫度，壓力影響。嵌脫反應(yīng)：鋰的化學(xué)勢(shì)，吉布斯自由能。離子具有有序性，相變變化；顆粒尺寸，濃度，負(fù)極褚鋰機(jī)制等。芯片與電芯的本質(zhì)區(qū)別：電子轉(zhuǎn)移與離子傳導(dǎo)、遷移。電池充放電是物質(zhì)轉(zhuǎn)移過(guò)程。3.1半導(dǎo)體與鋰電制造特征對(duì)比內(nèi)容相同點(diǎn)不同點(diǎn)芯片產(chǎn)業(yè)電芯產(chǎn)業(yè)用途通用目的產(chǎn)品、無(wú)窮應(yīng)用處理信息（人的大腦）處理能源（人的心臟）產(chǎn)品機(jī)理物理過(guò)程：電子移動(dòng)鋰離子/電子直徑比大約是千12倍；鋰離子/電子質(zhì)量比大約是3100倍；物理過(guò)程，電子移動(dòng)，信號(hào)傳遞，是單體轉(zhuǎn)移行為。物理+化學(xué)過(guò)程，離子遷移,能量轉(zhuǎn)移、物質(zhì)轉(zhuǎn)移過(guò)程,是群體轉(zhuǎn)移行為。產(chǎn)品作用無(wú)處不在，社會(huì)每個(gè)側(cè)面。大腦：處理信息，指揮功能心臟：裝血液，能源需求。制造特征大規(guī)模、無(wú)人化、智能化。PPM+PPB級(jí)控制制造影響合格率、企業(yè)效益制造影響安全、企業(yè)存亡升級(jí)趨勢(shì)單位體積的功能成本不斷下降。摩爾定律：晶體管密度提升、成本下降能量密度提升，成本下降標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需要完整的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范有序發(fā)展，不斷升級(jí)基礎(chǔ)薄弱、野蠻生長(zhǎng)材料升級(jí)材料不斷升級(jí)精細(xì)化、純度種類(lèi)，精細(xì)化，純度3.1127354納米、微米級(jí)材料操作--如何均勻，如何評(píng)價(jià)？鋰電池制造特征68軟質(zhì)材料、硬性定位使用要求多元、異構(gòu)海量數(shù)據(jù)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，難以用于制造過(guò)程優(yōu)化、控制和決策。不起眼的因素對(duì)質(zhì)量影響很大—時(shí)間、空間、濕度、灰塵等產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)：材料、電池結(jié)構(gòu)、制造工藝、裝備化工廠+電子廠，連續(xù)過(guò)程逐步過(guò)渡到離散過(guò)程，系統(tǒng)線性、非線性、隨機(jī)動(dòng)態(tài)===關(guān)聯(lián)邏輯關(guān)系難以實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)。沒(méi)有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、多方面經(jīng)驗(yàn)積累，很難把電芯做好！結(jié)論對(duì)鋰電制造業(yè)的認(rèn)識(shí)—制造特征多物理場(chǎng)耦合，多尺度控形、控性工藝過(guò)程內(nèi)在科學(xué)規(guī)律不清晰，需要尋找新的方法。缺少有效的系統(tǒng)科學(xué)分析方法和系統(tǒng)性能特征評(píng)價(jià)手段解決制造要求的可重構(gòu)、大規(guī)模、定制化的特征。3.1鋰電池制造基礎(chǔ)方法確立---從本源出發(fā)，回歸基礎(chǔ)材料制造極片制造芯包制造電芯制造電池制造nm尺度μm尺度mm尺度M級(jí)尺度晶胞晶粒顆粒孔隙結(jié)構(gòu)尺度尺度精度配合精度融合程度基于量子理論的制造：材料、結(jié)構(gòu)和性能基于牛頓力學(xué)的制造：性能、效率、成本傳熱、變形、交變應(yīng)力、膨脹、收縮摩擦、阻尼、彈性、線性、非線性。張力、速度、精度、效率第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)原子、分子結(jié)構(gòu)、電子和離子的輸運(yùn)轉(zhuǎn)移行為、界面變化、耦合效應(yīng)、尺度變化、過(guò)程穩(wěn)定性。介觀過(guò)渡3.13.2課程講解---知識(shí)點(diǎn)3.1電池的制造特征3.2電池的制造體系建立3.3電池制造安全3.4電池的制造質(zhì)量鋰電制造產(chǎn)業(yè)處于初創(chuàng)階段未來(lái)需求空間巨大—2026年萬(wàn)億RMB，2030年全球達(dá)1萬(wàn)億USD，超過(guò)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)----心臟和大腦的比拼發(fā)展。生產(chǎn)能力、制造合格率離實(shí)際要求有很大差距---從2G到10G，94%到99%，目前的電芯配組率：75-80%；電池技術(shù)不斷升級(jí)---需要制造技術(shù)的不斷迭代、需要制造與裝備的創(chuàng)新突破；規(guī)格品種太多，產(chǎn)業(yè)依然有30-40%的行業(yè)總體降本空間---主要在合格率，制造成本，規(guī)模成本，材料成本方面突破。3.2制造工程體系待完善：標(biāo)準(zhǔn)體系、制造規(guī)范尚未建立；電池制造技術(shù)體系材料電池設(shè)計(jì)電池制造電池應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范電池識(shí)別與配組組合連接方法追溯與維護(hù)梯次利用與回收電池包制造材料標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)準(zhǔn)制造標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)梯次利用標(biāo)準(zhǔn)回收標(biāo)準(zhǔn)正極負(fù)極隔膜電解液殼體其它多物理場(chǎng)模擬尺寸規(guī)格電池殼與連接結(jié)構(gòu)與制造材料配組設(shè)計(jì)漿料制備極片制造芯包制備電芯裝配干燥注液化成分容模組制造Pack制造設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互連在線數(shù)據(jù)采集失效模式分析系統(tǒng)集成3.2動(dòng)力電池智能工廠總體規(guī)劃工藝設(shè)計(jì)設(shè)備選型材料配置設(shè)計(jì)電池設(shè)計(jì)智能化設(shè)計(jì)環(huán)保設(shè)計(jì)環(huán)境設(shè)備工廠設(shè)計(jì)物流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)治理數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)備開(kāi)發(fā)制造能耗設(shè)計(jì)來(lái)料數(shù)字化過(guò)程數(shù)字化設(shè)備數(shù)字化質(zhì)量數(shù)字化3.2動(dòng)力電池規(guī)模制造的條件設(shè)計(jì)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：安全、生產(chǎn)、組合、使用基于可制造的設(shè)計(jì)：裝配、測(cè)試、組合完善的設(shè)計(jì)、工藝、制造、質(zhì)量管理規(guī)范規(guī)模：達(dá)到基本產(chǎn)能，動(dòng)力電池：日產(chǎn)30萬(wàn)AH,年產(chǎn)1億安時(shí)；制造指標(biāo)：電池合格率不低于90%,材料利用率不低于82%；適合產(chǎn)能規(guī)模的自動(dòng)化。優(yōu)秀制造：電池合格率不低于95%，材料利用率不低于90%，電池容量差小于±1%。3.2制造系統(tǒng)構(gòu)筑的目標(biāo)原則制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體原則：實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)；實(shí)用為首；現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)控制原則：水分、灰塵、毛刺控制和極片的保護(hù)；特別規(guī)劃制造對(duì)電池安全性的影響；工序產(chǎn)能、物流節(jié)拍的均衡匹配；自動(dòng)化程度與效率、成本的均衡；重點(diǎn)工序重點(diǎn)控制：制漿、涂布、組裝、注液、化成；不同類(lèi)型的電池有不同的特點(diǎn)和制程控制要點(diǎn)：需認(rèn)真考究3.2動(dòng)力電池制造裝備選擇綜合決策：制造安全性、合格率、材料利用率、能耗、成本。1制造安全性：制造過(guò)程避免引入不安全的因素或制造方法，如五金模切、超聲波極柱焊接。2工序篩選：制造合格率達(dá)不到99%以上的工序、工藝方法自然淘汰，如蓋板焊接。3年產(chǎn)1G產(chǎn)能，10%投入1500萬(wàn)，按照三年平均折舊，每年500萬(wàn)元。1%的合格率提升，創(chuàng)造利潤(rùn)700萬(wàn)元。3.2建立動(dòng)力電池制造規(guī)范電池制造五個(gè)方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：建立材料承認(rèn)書(shū)－－測(cè)試、認(rèn)可、替代標(biāo)準(zhǔn)；電芯制造的工藝、生產(chǎn)、品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)建立；建立電芯量產(chǎn)認(rèn)可體系：100只，1000只，1萬(wàn)只，10萬(wàn)只；電芯性能認(rèn)可評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)：容量、內(nèi)阻、自放電、一致性、耐久性、可靠性等；電芯組合、應(yīng)用評(píng)估體系：不同應(yīng)用條件下電池的組合標(biāo)準(zhǔn)。3.23.3課程講解---知識(shí)點(diǎn)3.1電池的制造特征3.2電池的制造體系建立3.3電池制造安全3.4電池的制造質(zhì)量2019年79起電動(dòng)汽車(chē)自燃起火大數(shù)據(jù)分析1、從車(chē)輛類(lèi)型看，65%的事故車(chē)輛為乘用車(chē)、28%的事故車(chē)輛為專(zhuān)用車(chē)、7%的事故車(chē)輛為客車(chē)；2、從動(dòng)力電池類(lèi)型看，86%的事故車(chē)輛使用三元鋰離子電池、7%的事故車(chē)輛使用磷酸鐵鋰電池、7%的事故車(chē)輛電池類(lèi)型不確定；3、從已查明著火原因中，58%的車(chē)輛起火源于電池問(wèn)題，19%的車(chē)輛起火源于碰撞問(wèn)題，還有部分車(chē)輛的起火原因源于浸水、零部件故障、使用問(wèn)題等原因。4、已查明起火原因的車(chē)輛中，41%的車(chē)輛處于行駛狀態(tài)、40%的車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)、19%的車(chē)輛處于充電狀態(tài)；3.3電池安全的分類(lèi)及誘因3.3動(dòng)力電池安全事故誘因安全的本質(zhì)濫用缺陷機(jī)理機(jī)電環(huán)境制造、材料枝晶生長(zhǎng)3.3動(dòng)力電池的安全性使用濫用安全性制造精度、毛刺控制、水份、粉塵、連接制造、極片保護(hù)、極片膨脹濫用：過(guò)熱、水、擠壓、振動(dòng)、沖擊環(huán)境：溫度、濕度BMS、電流、電壓保護(hù)、均衡制造安全性材料安全性：正極、負(fù)極、隔膜、電解液、殼體、密封件結(jié)構(gòu)安全性：結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，尺寸公差，集流設(shè)計(jì)，安全閥設(shè)計(jì)安全性解決制造安全性高精度全監(jiān)控體系化TS16949動(dòng)力電池的制造安全性3.3動(dòng)力電池制造安全性公共條件：電力、真空、壓縮空氣污染：粉塵、雜質(zhì)、異物工作環(huán)境：溫度、濕度、壓力環(huán)境控制制造質(zhì)量動(dòng)力電池的制造安全性設(shè)備環(huán)境：磨損異物、引入雜質(zhì)、掉削漿料制造：加料精度、混合均勻，輸送沉降極片制造：涂布厚度，涂布尺寸，滾壓分條尺寸芯包制造：分切、疊片、卷繞尺寸，毛刺，對(duì)齊電芯裝配：虛焊、超聲掉粉，拉絲，尺寸干燥注液：注液精度，滲液性，滲液時(shí)間，化成分容：電流、電壓精度，時(shí)間，化成制度正極負(fù)極隔膜3.33.4課程講解---知識(shí)點(diǎn)3.1電池的制造特征3.2電池的制造體系建立3.3電池制造安全3.4電池的制造質(zhì)量動(dòng)力電池制造能力評(píng)估的指標(biāo)電池制造合格率定義：滿足電池要求特性的電池與總投入電池的比，要求特性指電池使用要求的基本特性：如容量、內(nèi)阻、倍率、尺寸、自放電等材料利用率定義：實(shí)際產(chǎn)出合格電池的材料價(jià)值與投入材料價(jià)值之比；包括構(gòu)成電池的主材、輔材及回收價(jià)人工成本率定義：人工成本在制造成本中所占的比例WH制造成本定義：電池制造周期內(nèi)，所消耗的費(fèi)用與在此期間生產(chǎn)的合格電池WH之比；

WH設(shè)備投入定義：生產(chǎn)線所有固定投入與連續(xù)20小時(shí)生產(chǎn)的合格電池WH之比安全指標(biāo)遵從安全標(biāo)準(zhǔn)，杜絕不安全因素；能耗指數(shù)WH能耗標(biāo)準(zhǔn)，每生產(chǎn)WH電芯消耗的能源WH；運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性單機(jī)MBTF大于50000小時(shí)；生產(chǎn)線總體的DOWNTIMERATE小于10%；3.4動(dòng)力電池電芯成品率及現(xiàn)狀電芯成品率：YC=Y1*Y2*Y3=合格配對(duì)電芯數(shù)/投入電芯數(shù)；目前國(guó)內(nèi)主流企業(yè)：

Y1在90-95%，Y2在97-98%，Y3在90-95%最終電芯成品率：YC=77.5-88.5%。Y1(LineYield)=產(chǎn)出電芯數(shù)/投入電芯數(shù)：制造加工特性Y2測(cè)試合格率(Cell

SortYield)：制造性能參數(shù)

=測(cè)試合格電芯數(shù)/產(chǎn)出電芯數(shù)Y3配對(duì)合格率(PairYield）：一致性與合格率

=合格配對(duì)電芯數(shù)/測(cè)試合格電芯數(shù)3.4鋰電池制造質(zhì)量挑戰(zhàn)—PPM級(jí)制造要求質(zhì)量等級(jí)Cpk范圍工序合格率一般制造業(yè)鋰電池CPK要求A++級(jí)Cpk≥2.099.9999%考慮降低成本特優(yōu)，不用篩選直接使用。A+級(jí)2.0＞Cpk≥1.6799.9997%無(wú)缺點(diǎn)，考慮降低成本優(yōu)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化

，提升到A++級(jí)，定向篩選使用。A級(jí)1.67＞Cpk≥1.3399.97%狀態(tài)良好，維持現(xiàn)狀良好，狀態(tài)穩(wěn)定，應(yīng)提升為A＋級(jí)，100%篩選使用。B級(jí)1.33＞Cpk≥1.099.38%改進(jìn)為A級(jí)一般，制程有變異和安全隱患，應(yīng)嚴(yán)格篩選標(biāo)準(zhǔn)，提升為A級(jí)，100%篩選使用。C級(jí)1.0＞Cpk≥0.6793.32%制程能力不夠，應(yīng)提升CPK不可接受，制程能力太差，應(yīng)重新整改設(shè)計(jì)制程。D級(jí)0.67＞Cpk69.15%制程能力太差重新設(shè)計(jì)制程不可接受3.4電芯制造的工程能力CPK99.999%=99.99%20單工序點(diǎn)：CPK=2.00

控制CPK1.331.672.00漿料制備98.76%99.94%99.999%極片制備98.15%99.91%99.999%芯包制造98.15%99.91%99.999%電芯裝配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%整體合格率88.3%99.40%99.99%裝備解決方案漿料制備系統(tǒng)（2）極片制備系統(tǒng)（3）芯包制備系統(tǒng)（3）電芯裝配系統(tǒng)（7）干燥注液系統(tǒng)（3）化成分容系統(tǒng)（2）整體20個(gè)核心工序點(diǎn)熱壓合芯預(yù)焊極柱焊包膜封口入殼3.499.999%（6σ）