王艷萍，李德勝，何 東，楊樹成，鄧永勇，朱明新

（1.青海時(shí)代新能源科技有限公司，青海 西寧 810000；2.青海泰豐先行鋰能科技有限公司，青海 西寧 810000）

作為新型綠色能源，鋰電池具有質(zhì)量輕、密度大、體積小、循環(huán)壽命長、自放電小等顯著優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航天、軍事、動(dòng)力汽車和電動(dòng)車等領(lǐng)域，打開了新型環(huán)保、便攜式等交通工具的生產(chǎn)制造市場。鋰電池生產(chǎn)企業(yè)對電池的精度要求不斷提高，使用MINTAB軟件采集鋰電池電芯的寬度、厚度、中心距等尺寸數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，改善鋰電池內(nèi)電芯的品質(zhì)，延長鋰電池的使用壽命。本文采用實(shí)驗(yàn)的方式證明數(shù)據(jù)分析在鋰電池品質(zhì)中的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)驗(yàn)過程如下。

1 研究實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

任何新能源、新技術(shù)被投入市場使用前都需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，作為新能源的鋰電池更是少不了動(dòng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。研究人員使用相關(guān)技術(shù)和方法對鋰電池試驗(yàn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，掌握鋰電池在靜態(tài)和運(yùn)行中的變化特性。此次研究使用MINTAB軟件對格林昇全自動(dòng)卷繞機(jī)制造出來的鋰電池電芯進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采集電芯的寬度、厚度、整齊度、中心距這幾項(xiàng)的數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取鋰電池電芯樣本，檢查參與實(shí)驗(yàn)的電芯指標(biāo)，以此來評估機(jī)器的自動(dòng)卷繞能力。收集1k電芯型號的全自動(dòng)卷繞文件，制造部門編制試產(chǎn)單，安排試產(chǎn)1k電芯。在試產(chǎn)過程中根據(jù)電芯層數(shù)，選擇恒定張力放卷，調(diào)試設(shè)備的張力大小，保持最小張力。完成設(shè)備調(diào)試工作后， 上下隔膜放卷張力120g，左右極片放卷180g。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.3.1 中心距問題

使用MINTAB軟件對采集到的鋰電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，電芯中心距的檢驗(yàn)結(jié)果顯示不合格，機(jī)器的LCL-UCL線范圍大于LSL-USL線范圍，在連續(xù)生產(chǎn)中容易出現(xiàn)劣質(zhì)品。造成中心距指標(biāo)不達(dá)標(biāo)的原因有三點(diǎn)：一是參與實(shí)驗(yàn)研究的鋰電池電芯中心距處于設(shè)計(jì)極限狀態(tài)，要保持全自動(dòng)卷繞電芯的中心距就要加寬機(jī)器卷針的寬度，而卷針加寬就會(huì)導(dǎo)致卷芯寬度隨之增加，無法完成包裝[1]。因此在實(shí)際生產(chǎn)中首先會(huì)考慮卷芯的寬度，在保證卷芯厚度符合標(biāo)準(zhǔn)的情境下再調(diào)節(jié)控制中心距，等于放寬了中心距LSL。二是采用卷繞結(jié)構(gòu)的鋰電池電芯的負(fù)極耳位置在卷繞后容易出現(xiàn)松動(dòng)，負(fù)極耳位置向卷芯正極靠近，造成中心距尺寸減小。中心距尺寸的變化增大了實(shí)驗(yàn)采樣誤差，影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性與可靠性。三是貼膠位置不準(zhǔn)確導(dǎo)致的，試產(chǎn)的鋰電池在制片貼焊后需要將膠紙蓋到極耳膠，而在實(shí)際貼膠過程中常常因?yàn)椴▌?dòng)而將膠紙邊緣貼到卷芯外側(cè)的極耳膠位置，導(dǎo)致卷繞過程中不易控制中心距尺寸，造成中心距偏小的問題產(chǎn)生。

1.3.2 改善方案

不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品中心距會(huì)增大生產(chǎn)線的產(chǎn)品淘汰率，影響采樣測量的準(zhǔn)確性。為保證鋰電池生產(chǎn)工作的有序進(jìn)行，在完成試產(chǎn)鋰電池的數(shù)據(jù)分析后，找出問題產(chǎn)生的原因，制定相關(guān)解決方案。如優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于PACK評估合理設(shè)計(jì)卷芯寬度與自動(dòng)卷繞中心距。點(diǎn)break內(nèi)轉(zhuǎn)鎳，使用pack轉(zhuǎn)鎳夾具，確保生產(chǎn)出來的產(chǎn)品中心距尺寸為19mm±1.5mm。內(nèi)折鎳后的中心距尺寸滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不過需要定期更換pack折鎳夾具。按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改善方案確定極耳位置后，用制片膠蓋住極耳金屬帶，極耳肩寬2.5mm左右，制片膠公差尺寸約為±0.5mm，貼紙不能超過極耳肩寬。還可以通過微調(diào)卷針寬度的方式，控制卷芯的極耳中心距。強(qiáng)行控制卷芯寬度的狀態(tài)下，卷芯極耳中心距服從正態(tài)分布，制程相對穩(wěn)定，設(shè)計(jì)人員可以從設(shè)計(jì)角度進(jìn)行優(yōu)化。

1.4 卷芯寬度過程能力

試產(chǎn)鋰電池采用卷繞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，微調(diào)卷針寬度后，能夠得到精準(zhǔn)的中心距尺寸，保證卷芯的寬度。卷芯寬度數(shù)據(jù)變化有可能是卷針調(diào)節(jié)前后的卷芯造成的，系統(tǒng)流程均值變化證明了數(shù)據(jù)采集中得到的卷芯有可能為微調(diào)卷針前后卷繞的。分析卷芯寬度的正態(tài)概率圖，p＞0.05，數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。分析卷芯寬度CPK指標(biāo)，試產(chǎn)的卷芯寬度CP=1.69，CPK=1.17，CPK會(huì)受上限CPU限制，制程中的卷芯寬度過程能力較差，制程對卷芯寬度有一定的控制能力[2]?？蛻魧︿囯姵氐钠焚|(zhì)要求嚴(yán)格，設(shè)備能力要相對穩(wěn)定，制程受控，卷芯寬度和卷芯中心距要滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)機(jī)器的運(yùn)行穩(wěn)定性對鋰電池的品質(zhì)有很大的影響，為提高卷芯寬度的過程能力，企業(yè)可以加強(qiáng)設(shè)備的投入成本，降低設(shè)備運(yùn)行中對卷芯指標(biāo)的影響。

1.5 卷芯厚度分析

確定卷針寬度和卷繞方式后，卷芯的收尾位置固定，全自動(dòng)卷繞對卷芯厚度影響不大，卷芯厚度會(huì)受到隔膜厚度與極片的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中加強(qiáng)對涂布機(jī)的要求，確保涂布面的密度一致，輥壓厚度均勻。

1.6 涂層材料厚度分析

涂層材料厚度也會(huì)影響鋰電池的特性，控制住鋰電池的涂層材料厚度可有效提高電池質(zhì)量。采用MATLAB軟件接收采集到的靜止薄膜厚度數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶設(shè)計(jì)的CUI布局生成數(shù)據(jù)庫，顯示出原始數(shù)據(jù)的圖形[3]。靜止薄膜厚度有多個(gè)采樣點(diǎn)，生成的薄膜厚度圖像呈較為穩(wěn)定的波形，證明鋰電池在靜止?fàn)顟B(tài)下的薄膜厚度差距不大。在實(shí)驗(yàn)過程中采集生產(chǎn)現(xiàn)場的鋰電池極片涂層材料的厚度數(shù)據(jù)，對制造設(shè)備進(jìn)行實(shí)施控制，降低設(shè)備運(yùn)行功耗，提高鋰電池加工的成品率。

1.7 自動(dòng)卷繞過程能力

通過分析卷芯自動(dòng)卷繞正負(fù)錯(cuò)位過程能力的指數(shù)，得出工序能力指數(shù)CP值合理，CPK比較低，結(jié)果表明Cpl拉低了CPK指數(shù)，卷繞后的卷芯正負(fù)錯(cuò)位偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)[4]。在卷繞調(diào)機(jī)時(shí)，按中限對正負(fù)錯(cuò)位進(jìn)行首檢控制，調(diào)節(jié)卷繞的放卷和送片糾偏，使卷繞滿足正負(fù)錯(cuò)位的需要?？刂坪谜?fù)錯(cuò)位，有利于優(yōu)化大小片的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，增加正極寬度，提高鋰電池比容量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在此次鋰電池試產(chǎn)實(shí)驗(yàn)中使用MINTAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，得出機(jī)器的制造性能，為研究人員提供鋰電池制造生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)，有助于優(yōu)化鋰電池的生產(chǎn)制造流程。在此次實(shí)驗(yàn)中主要對全自動(dòng)卷繞機(jī)器生產(chǎn)的鋰電池電芯進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，研究人員分析影響鋰電池電芯品質(zhì)的相關(guān)指標(biāo)，找出數(shù)據(jù)間的規(guī)律性[5]。試產(chǎn)中的鋰電池存在卷芯中心距偏小、寬度過程能力差、厚度不一致等問題，根據(jù)實(shí)際加工環(huán)境制定改善方案，解決電芯在制造中遇到的各種問題，從而提高鋰電池的電芯品質(zhì)。

3 數(shù)據(jù)分析對鋰電池品質(zhì)的影響

3.1 確保材料性能

鋰電池由電解液、正負(fù)極材料與隔離材料組成，正極材料為主要構(gòu)成材料，正極材料的成本與性能對鋰電池的成本、性能有著直接影響。選擇導(dǎo)電性與安全性好的材料可以延長鋰電池的循環(huán)壽命，提高鋰電池的安全性能。以正極材料為例，正極材料可以從錳酸鋰、鎳鈷錳、鋰鈷、鋰鐵磷酸鹽等原材料中選取，研究人員使用數(shù)據(jù)分析得出不同原料的振實(shí)密度。鈷酸鋰振實(shí)密度約為2.1g/cm3～2.4g/cm3、摻碳磷酸鐵鋰振實(shí)密度為1.0g/cm3～1.2g/cm3，摻碳磷酸鐵鋰的振實(shí)密度低、制造出的電池體積會(huì)較大，鋰電池的安裝難度大，客戶滿意度低。而且磷酸鐵鋰材料的制作方法不能兼?zhèn)鋵?dǎo)電性與振實(shí)密度[6]?；跀?shù)據(jù)分析對鋰電池的原材料制作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，控制溫度和粘結(jié)劑配比，提高鋰電池的導(dǎo)電性能與電容量。

3.2 改善鋰電池性能參數(shù)

鋰電池在生產(chǎn)制造中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大，無論是鋰電池生產(chǎn)制造商還是客戶群體都需要電池?cái)?shù)據(jù)，鋰電池的生命周期以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，工作人員通過分析試產(chǎn)電池的數(shù)據(jù)得出電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)，調(diào)整不合理、不符合設(shè)計(jì)規(guī)范或不滿足客戶要求的地方，為鑒定鋰電池性能提供重要依據(jù)。鋰電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于鎳鎘電池、鎳氫電池和鉛酸電池，如表1所示。

表1 常用電池性能參數(shù)對比

使用數(shù)據(jù)采集的方式對不同的蓄電池性能進(jìn)行比較，對比研究發(fā)現(xiàn)鋰電池的比電壓、比功率、循環(huán)壽命、體積密度等指標(biāo)明顯優(yōu)于其他蓄電池，具有無污染、存電能力強(qiáng)、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際使用中新能源汽車的里程不及傳統(tǒng)燃油汽車，需要在保證安全性能的基礎(chǔ)上增加鋰電池的儲(chǔ)電量。鋰電池作為封閉的電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，本身具備復(fù)雜性，在高溫環(huán)境下工作存在一定的安全隱患，過高的溫度容易增大鋰電池的引爆率。低溫狀態(tài)下工作又會(huì)降低鋰電池的性能，鋰電池容易受到工作環(huán)境、外界溫度、自放電和老化等因素的影響。因此，加大成本低、比能量高、比功率大、壽命長、安全系數(shù)高的鋰電池開發(fā)與試驗(yàn)非常重要。研究人員使用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，對不同類型的電池進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)讀取與分析，診斷和顯示電池故障，用統(tǒng)計(jì)特性曲線顯示出試產(chǎn)電池的狀態(tài)，清晰、準(zhǔn)確的掌握鋰電池動(dòng)、靜狀態(tài)下的性能指標(biāo)，便于研究人員發(fā)現(xiàn)鋰電池生產(chǎn)中的問題，及時(shí)調(diào)整制造工藝和機(jī)器設(shè)備，確保鋰電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)合理，保證鋰電池的質(zhì)量過關(guān)[7]。

4 結(jié)語

隨著新能源汽車的快速興起，鋰電池產(chǎn)業(yè)隨之茁壯發(fā)展，有關(guān)鋰電池的研究也越來越多。鋰電池采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)，可反復(fù)充電多次使用，為提高鋰電池的品質(zhì)與使用年限，對鋰電池的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到影響鋰電池質(zhì)量的相關(guān)因素，加以控制，提高鋰電池的安全性、環(huán)保性與耐用性，促進(jìn)鋰電池產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，提高鋰電池廠商的市場競爭力。