上周，我受邀參加了在溧陽舉辦的動力和儲能電池產業創新論壇暨先進電池產學研對接峰會，同參會的五百多位專家分享了題為《製造能源時代下的電池製造未來》的報告，今天摘錄於此，跟大家探討一二。
隨着電動汽車保有量快速增長，其安全問題也日漸凸顯，數據顯示，2021年我國共實施電動汽車召回59次，涉及車輛83萬輛，同比增長75.9%。其中，電池安全性問題是汽車召回的主因。
進入TWh時代，要減少電池的安全性問題，實現大規模、高質量的極限制造，需要我們深入研究電池機理，降低電池製造的缺陷率，從PPM（百萬分之一）向PPB（十億分之一）級別提升，用發展的眼光、現代的理念去解決產業的問題。
過去，我們對電池製造的研究，更多還是停留在牛頓力學的宏觀層面，主要管控的是物體的位移、張力、摩擦、阻力等參數，這些管控相對宏觀，控制精度還停留在毫米、幾十微米級的尺度。
鋰電池的充放電，是內部在電場作用下離子遷移的過程，外部是電子轉移的過程。鋰電材料從納米到微米再到毫米，尺度跨度很大。
要真正實現電池的高質量製造，我們需要進入量子力學的微觀世界，研究微觀粒子的運動規律，從孔隙、顆粒到晶粒、晶胞，觸碰電池機理的本質問題，如電子和離子的輸運行為、使用及充放電過程界面的變化、內部分子與離子間的耦合效應、SEI膜和鋰枝晶的控制等問題。
我們將電池製造面臨的挑戰歸為兩類，一類是電池製造方面的難點，是對電池機理的理解與研究，即客觀條件挑戰，另一類是痛點，是我們本應做好卻沒能做好的地方。
熱失控是引發電池安全問題爆發的本質原因。機械濫用、電濫用、熱濫用往往會造成內短路，觸發熱失控，熱失控散發大量熱量和有害氣體，引發電池着火和爆炸。行業對熱失控的發生機制已有一定研究，但還沒有形成較為周全的定量解決方案。
鋰枝晶生長到一定程度後，會刺破隔膜，導致短路，或者會破壞SEI膜，不斷消耗電解液，導致金屬鋰的不可逆沉積，使電池容量衰減。鋰枝晶的生長機理涉及複雜的電化學問題，也受許多因素影響，目前學術界尚未形成定論，關於鋰枝晶抑制與消除的研究更是任重道遠。
管控電池製造安全，需要從兩方面入手，一是製造質量，二是環境控制。鋰電池製造工藝複雜，工序繁多，需要嚴格管控好每一道製造工序，達到PPM級的尺度控制，減少製造缺陷、實現毛刺控制，同時還要嚴格控制環境中的雜質、異物、水分，才有可能實現PPB級的控制要求。
不恰當的使用方法將帶來安全隱患。如過充過放、高溫環境使用等，都屬於濫用，容易造成熱失控。目前，對導致安全問題的機理因素有些深度研究，但邏輯關係、定量關係並未完全清晰，需要實時動態監測電池的內部壓力、電位、溫度、氣體等情況，通過AI分析預知電池的安全狀態，並採取適當預測性維護措施。
現階段，電池製造最重要的在於標準建立，包括電芯尺寸規格的標準化、製造規範等。現在國內仍有150多種尺寸規格的電池在生產，大部分車企、電池企業沒有形成產業化思想，仍是「各做各的」，尺寸規格方面的標準未能統一，製造技術也難以積累優化、因而製造成本居高不下。
從材料、電池設計、製造工藝到裝備領域以及回收等，產業鏈的各個環節協同性不足，沒有無縫結合，尚未形成統一的管控重點和製造體系規範。
平衡電池的高安全性、高質量與低成本，需要實施零缺陷製造，建立製造數據規範，優化製造安全質量閉環，建立製造成本優化體系。
逐步攻克難點，協同解決痛點，我們期待產學研三方的合作，從技術創新上、中、下游進行對接與耦合，實現真正意義上的電池極限制造：
▶對電池形成的機理層面進行深入研究，創新電池材料體系，優化與創新工藝，實現PPB級別的產品缺陷率；
▶創新電池系統結構，管控電池全生命周期，從納米到米尺度定型、定性，提升全生命周期電池產品的可靠性；
▶上下游共迎挑戰，強化質量，提升產能，降低成本，全面推廣，達成TWh級別超大規模高質量交付能力。
TWh時代的極限制造，對電池製造技術及裝備領域也提出了更高的要求。
首先是對零缺陷製造的追求，需要建立靜態+動態高精度控制系統，進行十萬分之一精度的實時視覺檢測，挑戰6σ（99.99%）甚至更高的製造工序合格率；
其次是要通過大數據學習模型，將複雜模型與集成設備極簡化，提升裝備的智能化程度，從單機可靠（MTBF從十幾小時逐步做到大於1000小時）走向整線智能；
最後是促成裝備的高速自動化，將自動化等級從L2提升到 L3（邊緣計算），單機產能由1GWh向2GWh、4GWh發展，優化製造工藝，達到5-10m/s的極片、隔膜速度。相關文章：
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