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十年对话 | 阳如坤:动力电池大规模制造痛点与难点
动力电池| 大规模制造| 阳如坤 文章来源自:高工锂电网
2020-09-14 09:42:06 阅读:4090
摘要阳如坤认为,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,动力电池制造技术还需与材料、原理深度融合。

【导语: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。

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