摘 要：新能源產(chǎn)業(yè)極速發(fā)展起來(lái)，鋰離子電池正極材料的質(zhì)量管理慢慢成了影響電池性能與可靠性?xún)?yōu)化的重要因素，傳統(tǒng)質(zhì)量控制大多關(guān)注生產(chǎn)環(huán)節(jié)，很難做到對(duì)正極材料從研發(fā)設(shè)計(jì)到回收處理整個(gè)過(guò)程實(shí)施動(dòng)態(tài)化管理，數(shù)字孿生技術(shù)出現(xiàn)以后，便為創(chuàng)建全生命時(shí)段質(zhì)量管理體系給予了新的技術(shù)手段。文章依照數(shù)字孿生技術(shù)的主要特點(diǎn)，從價(jià)值層面來(lái)分析該技術(shù)關(guān)于鋰離子電池正極材料質(zhì)量管理所起的作用，表明當(dāng)下質(zhì)量管理應(yīng)用當(dāng)中比較明顯的一些問(wèn)題，然后給出對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)化形成策略，經(jīng)過(guò)研究得出結(jié)論，依靠數(shù)字孿生的質(zhì)量管理體系有益于達(dá)成質(zhì)量問(wèn)題預(yù)先警告并完成全過(guò)程追蹤，而且可以改善材料在研發(fā)，制造以及使用各個(gè)階段的協(xié)同合作效率，從而給鋰電產(chǎn)業(yè)朝著高質(zhì)量方向發(fā)展賦予理論上的支持和實(shí)行方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生 鋰離子電池 正極材料 全生命周期 質(zhì)量管理體系

鋰離子電池屬于當(dāng)下主流的儲(chǔ)能技術(shù)，其被全面應(yīng)用在新能源汽車(chē)，便攜式電子設(shè)備以及大型儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)中，鋰離子電池的核心性能在很大程度上取決于正極材料的物理化學(xué)特性以及制程質(zhì)量。近年來(lái)，由于電池的使用場(chǎng)景變得復(fù)雜，使用強(qiáng)度有所增大，電池失效和性能波動(dòng)的情況頻繁發(fā)生，探尋根源就會(huì)發(fā)覺(jué)，往往是因?yàn)樵谡龢O材料的生產(chǎn)和使用過(guò)程中沒(méi)有做到有效的質(zhì)量觀測(cè)以及動(dòng)態(tài)管理，傳統(tǒng)的質(zhì)量管理體系以線(xiàn)性流程為核心，無(wú)法滿(mǎn)足材料生命時(shí)段中各個(gè)階段數(shù)據(jù)的即時(shí)共享以及質(zhì)量問(wèn)題的動(dòng)態(tài)管理。數(shù)字孿生技術(shù)經(jīng)由形成物理對(duì)象的虛擬映射，具備高效感知，動(dòng)態(tài)反饋以及智能預(yù)測(cè)能力，給質(zhì)量管理體系增添了“可視、可控、可追溯”的新能力，創(chuàng)建依靠數(shù)字孿生的鋰離子電池正極材料全生命時(shí)段質(zhì)量管理體系，是做到從“事后檢測(cè)”向“全過(guò)程改善”轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵步驟，文章將會(huì)圍繞此目標(biāo)展開(kāi)探討，表明其價(jià)值所在，找出存在的問(wèn)題，并給出系統(tǒng)性的策略建議。

1 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的全生命周期質(zhì)量管理體系建設(shè)價(jià)值研究

1.1 實(shí)現(xiàn)質(zhì)量信息全生命周期透明化傳遞

傳統(tǒng)模式下，鋰電池正極材料從原料采購(gòu)，配方設(shè)計(jì)，合成制造直至客戶(hù)使用與回收處理，各個(gè)階段的質(zhì)量數(shù)據(jù)相互分離，很難創(chuàng)建起統(tǒng)一的數(shù)據(jù)循環(huán)體系。而數(shù)字孿生經(jīng)由創(chuàng)建正極材料的虛實(shí)結(jié)合模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的隨時(shí)映射并做到數(shù)據(jù)協(xié)作，使得質(zhì)量信息能夠在研發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)、使用這些環(huán)節(jié)當(dāng)中得以順暢傳遞，某家材料企業(yè)利用數(shù)字孿生平臺(tái)之后，便順利連通了配料工藝和燒結(jié)工序二者間的參數(shù)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了不同階段質(zhì)量指標(biāo)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，如此一來(lái)，研發(fā)方面就可參照反饋信息迅速優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，提升了實(shí)驗(yàn)效率并材料的一致性，這種超越階段的質(zhì)量信息的透明化流轉(zhuǎn)，既加強(qiáng)了問(wèn)題察覺(jué)的時(shí)效性，又給后續(xù)的質(zhì)量把控給予了數(shù)據(jù)支持和警示參考。

1.2 增強(qiáng)正極材料工藝的可控性與響應(yīng)速率

鋰離子電池正極材料的性能受到很多復(fù)雜工藝參數(shù)的影響，這些參數(shù)具有很強(qiáng)的非線(xiàn)性和時(shí)效性特點(diǎn)，數(shù)字孿生模型可以不斷地把實(shí)際工況和預(yù)期模型作比較，快速發(fā)現(xiàn)異常的工藝操作，這樣就能在問(wèn)題出現(xiàn)前采取預(yù)防措施，在碳酸鋰配料這個(gè)階段，經(jīng)由創(chuàng)建孿生模型及時(shí)去對(duì)比實(shí)際配比的誤差，當(dāng)發(fā)現(xiàn)波動(dòng)超出指定誤差的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并且自反饋調(diào)整設(shè)備參數(shù)，很好地避免不合格批次的產(chǎn)生，憑借這個(gè)機(jī)制，企業(yè)得以從“事后補(bǔ)救”過(guò)渡到“事前防范”，大幅改善工藝的穩(wěn)定性，更關(guān)鍵的是，數(shù)字孿生具備自學(xué)能力，它依照大量的數(shù)據(jù)反饋來(lái)改良控制模型，給復(fù)雜工藝帶來(lái)持續(xù)發(fā)展的自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制。

1.3 提升產(chǎn)品質(zhì)量追溯與責(zé)任界定效率

正極材料的使用環(huán)境復(fù)雜，其失效表征具備明顯的滯后性，通常要到電池組裝或者使用階段后期才能察覺(jué)其失效狀況，用傳統(tǒng)方法去追溯，很難精確找到負(fù)責(zé)環(huán)節(jié)，而利用數(shù)字孿生創(chuàng)建起來(lái)的全過(guò)程模型，可以自動(dòng)把每項(xiàng)操作數(shù)據(jù)及其上下游影響記錄下來(lái)，給質(zhì)量溯源詳細(xì)的路徑支撐，比如某個(gè)電池生產(chǎn)商把原材料批次，人員操作記錄以及設(shè)備運(yùn)行日志納入數(shù)字孿生平臺(tái)當(dāng)中，若某一批次電池在下游用戶(hù)那里發(fā)生容量縮減情況，該系統(tǒng)馬上就能追溯到具體配料時(shí)點(diǎn)和操作人員，接著鎖定異常原因并立即做出調(diào)整，較之于傳統(tǒng)依靠人力排查的模式，依托孿生模型的質(zhì)量追溯體系不但速度更快，而且在界定責(zé)任的時(shí)候也更為科學(xué)合理，這就很大程度上優(yōu)化了企業(yè)在品質(zhì)守護(hù)方面的公信力。

2 鋰離子電池正極材料質(zhì)量管理的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題

2.1 質(zhì)量管理聚焦制造環(huán)節(jié)，缺乏全生命周期管控視角

當(dāng)下鋰電正極材料質(zhì)量管理時(shí)，企業(yè)大多把控制重點(diǎn)放于中游制造環(huán)節(jié)，如配料、燒結(jié)、粉碎、檢測(cè)這些階段，對(duì)于設(shè)計(jì)源頭和使用末端的關(guān)注度明顯不夠。正極材料的質(zhì)量問(wèn)題很多都是到后期電池應(yīng)用的時(shí)候才顯現(xiàn)出來(lái)，之前的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、原料差別、使用工況等因素常常被忽略，引發(fā)問(wèn)題難以追溯源頭，導(dǎo)致整體改進(jìn)遲緩，比如某個(gè)企業(yè)雖然在出廠(chǎng)檢測(cè)的時(shí)候執(zhí)行嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，可是由于沒(méi)有整合下游客戶(hù)的退貨信息，所以沒(méi)能及時(shí)察覺(jué)到某型號(hào)材料在高溫環(huán)境下存在熱穩(wěn)定性欠佳的情況，這種“點(diǎn)式”管理方法無(wú)法創(chuàng)建起全過(guò)程質(zhì)量控制的循環(huán)，迫切必要采用全生命時(shí)段的視角，達(dá)成設(shè)計(jì)、制造、使用、回收各個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量的協(xié)同運(yùn)作。

2.2 數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象普遍，各階段系統(tǒng)互聯(lián)性差

當(dāng)下，超半數(shù)鋰電材料企業(yè)已在信息化建設(shè)方面取得一定成果。然而，諸多系統(tǒng)平臺(tái)缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口與標(biāo)準(zhǔn)，致使大量質(zhì)量數(shù)據(jù)散落于各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，無(wú)法實(shí)現(xiàn)互通，嚴(yán)重制約了數(shù)據(jù)價(jià)值的深度挖掘與企業(yè)運(yùn)營(yíng)效率的提升。不同系統(tǒng)各自為政，數(shù)據(jù)格式、存儲(chǔ)方式千差萬(wàn)別，在跨系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)，常需投入大量人力進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與適配，耗時(shí)費(fèi)力且易出錯(cuò)。這不僅阻礙了數(shù)據(jù)在企業(yè)內(nèi)部的自由流通，還使得企業(yè)難以借助數(shù)據(jù)整合之力，開(kāi)展精準(zhǔn)的質(zhì)量分析、流程優(yōu)化以及決策制定等工作，實(shí)驗(yàn)室的LIMS系統(tǒng)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)的MES系統(tǒng)以及ERP系統(tǒng)沒(méi)有建立動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)機(jī)制，使得原料混合比例、設(shè)備參數(shù)、檢測(cè)結(jié)論這些重要信息難以整合起來(lái)并加以總結(jié)。比如，某個(gè)企業(yè)做正極材料一致性判斷的時(shí)候，由于最初的粒徑數(shù)據(jù)分布在不同系統(tǒng)當(dāng)中，只能依靠人工去提取比較來(lái)執(zhí)行溯源分析，這樣速度慢不說(shuō)，還極易出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，此類(lèi)數(shù)據(jù)孤島的狀況已是限制質(zhì)量經(jīng)營(yíng)數(shù)字化提升的主要瓶頸，影響數(shù)字孿生模型創(chuàng)建的全面性與及時(shí)性。

2.3 復(fù)合型人才不足制約數(shù)字孿生模型應(yīng)用落地

組建數(shù)字孿生質(zhì)量管理體系必要既知曉材料性能機(jī)理，又精通系統(tǒng)建模與數(shù)據(jù)處理的復(fù)合型人才，但是當(dāng)下大部分企業(yè)內(nèi)部存在專(zhuān)業(yè)壁壘，材料工藝人員和 IT 技術(shù)人員缺少協(xié)作語(yǔ)言，極大限制了孿生系統(tǒng)的有效開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，一些企業(yè)打算借助高校合作團(tuán)隊(duì)來(lái)搭建模型，可是由于沒(méi)有“橋梁型”的關(guān)鍵人才，模型搭建歷時(shí)很久，實(shí)用性欠佳，最終無(wú)法落地。比如某正極材料企業(yè)在孿生試點(diǎn)項(xiàng)目當(dāng)中，因?yàn)榻＿壿嬇c工藝流程相脫離，所以預(yù)測(cè)偏差很大，響應(yīng)也很慢，人才結(jié)構(gòu)比較單一，這不但會(huì)影響技術(shù)執(zhí)行的成果，而且會(huì)妨礙后續(xù)系統(tǒng)的改良與拓展，成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中的一大瓶頸。

3 構(gòu)建鋰離子電池正極材料全生命周期質(zhì)量管理的數(shù)字孿生策略

3.1 延伸質(zhì)量管理邊界：構(gòu)建生命周期視角的體系架構(gòu)

若想有效地發(fā)揮數(shù)字孿生在正極材料質(zhì)量管理方面的優(yōu)勢(shì)，首先需從體系架構(gòu)層面樹(shù)立全生命周期的質(zhì)量管理觀念，超越傳統(tǒng)那種把質(zhì)量控制重點(diǎn)放于中游生產(chǎn)環(huán)節(jié)的思維定式，質(zhì)量問(wèn)題常常并非僅僅產(chǎn)生于制造流程，而且有可能隱匿在材料設(shè)計(jì)、原料采購(gòu)、使用環(huán)境以及回收利用這些環(huán)節(jié)當(dāng)中，在創(chuàng)建管理體系之時(shí)，應(yīng)當(dāng)把產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)開(kāi)始，歷經(jīng)性能仿真、制造過(guò)程直至用戶(hù)使用，再到回收處理的各個(gè)階段全部納入質(zhì)量控制的循環(huán)鏈之中，并使其成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的閉合系統(tǒng)，比如，企業(yè)在材料配方設(shè)計(jì)這個(gè)階段便可以運(yùn)用虛擬仿真分析方法，參照以前使用端所反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)信息，修正相關(guān)的參數(shù)模型以推測(cè)該材料于高溫，高倍率等工況下的性能狀況，借由數(shù)字模型來(lái)預(yù)先識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)并改良混合比例，從而切實(shí)改善材料本身具有的穩(wěn)定性。

3.2 推進(jìn)信息系統(tǒng)融合，貫通各階段數(shù)據(jù)障礙

從實(shí)際操作角度來(lái)講，要形成高效的全生命周期質(zhì)量管理體系，就務(wù)必要打破“信息孤島”局面，達(dá)成各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互通互聯(lián)，現(xiàn)今，鋰電企業(yè)大多會(huì)采用多套信息化系統(tǒng)來(lái)開(kāi)展原料采購(gòu)、制造管理、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)以及客戶(hù)服務(wù)管理等工作，這些系統(tǒng)繁雜，數(shù)據(jù)格式又不統(tǒng)一，從而引發(fā)信息傳遞效率低下，數(shù)據(jù)失真情況屢屢發(fā)生，這在很大程度上限制了數(shù)字孿生平臺(tái)的時(shí)效性和完整性，要想解決這個(gè)問(wèn)題，就要促使企業(yè)內(nèi)部的系統(tǒng)平臺(tái)相融合，搭建統(tǒng)一的質(zhì)量數(shù)據(jù)中控，把基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)以及反饋數(shù)據(jù)集中起來(lái)實(shí)施管理，以某家三元材料領(lǐng)先企業(yè)為例，此企業(yè)經(jīng)由對(duì) MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）、LIMS（實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)）以及 QMS（質(zhì)量管理系統(tǒng)）實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化接口改造，達(dá)成了不同系統(tǒng)之間的即時(shí)協(xié)作。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，一旦 LIMS 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到某批材料的粒徑存在異常情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)反向查詢(xún)這批原材料的采購(gòu)信息以及關(guān)鍵工藝參數(shù)，并把這些內(nèi)容同步到孿生模型當(dāng)中來(lái)執(zhí)行參數(shù)的調(diào)節(jié)改良，以此防止不合格產(chǎn)品流向市場(chǎng)。

3.3 構(gòu)建跨界融合人才梯隊(duì)，彌補(bǔ)模型建設(shè)能力不足

數(shù)字孿生系統(tǒng)的本質(zhì)在于對(duì)物理世界執(zhí)行精準(zhǔn)映照并予以智能反饋，此過(guò)程既包含對(duì)材料行為機(jī)制透徹領(lǐng)悟，又要具備建模語(yǔ)言，系統(tǒng)架構(gòu)以及算法設(shè)計(jì)等數(shù)字技能，所以，創(chuàng)建高水平孿生平臺(tái)必要依靠一支知曉工藝，會(huì)編程，可執(zhí)行分析的復(fù)合型人才隊(duì)伍。當(dāng)下很多企業(yè)陷入一種困境，即工藝人員懂材料的不懂建模，IT人員會(huì)建模卻不懂工藝，造成平臺(tái)搭建歷時(shí)久，模型準(zhǔn)確度低，難以切實(shí)落地，針對(duì)這種情況，企業(yè)應(yīng)當(dāng)從兩個(gè)方面來(lái)塑造跨界人才梯隊(duì)：其一，展開(kāi)校企合作共同培育人才，設(shè)立材料與信息交叉學(xué)科專(zhuān)業(yè)或者雙學(xué)位課程，以培育既有理論知識(shí)又具工程應(yīng)用能力的專(zhuān)業(yè)人才，比如某高校同頂尖材料企業(yè)合辦“數(shù)字材料與智能制造”方向的研究生班，學(xué)生畢業(yè)前需要做完一個(gè)完整的數(shù)字孿生項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，從而做到知識(shí)與應(yīng)用的有效銜接。其二，要打破企業(yè)內(nèi)部各部門(mén)之間的壁壘，推進(jìn)“工藝+IT”復(fù)合小組的運(yùn)作機(jī)制，組建以項(xiàng)目為核心的協(xié)作團(tuán)隊(duì)，把材料工程師、建模工程師和數(shù)據(jù)分析師整合起來(lái)協(xié)同合作，形成快速響應(yīng)機(jī)制。

3.4 優(yōu)化質(zhì)量評(píng)價(jià)反饋機(jī)制，強(qiáng)化體系閉環(huán)運(yùn)行效果

數(shù)字孿生平臺(tái)的核心價(jià)值之一在于具有較強(qiáng)的反饋調(diào)節(jié)能力，該能力的發(fā)揮依靠有效的質(zhì)量評(píng)價(jià)與反饋機(jī)制，傳統(tǒng)質(zhì)量管理大多依賴(lài)終檢結(jié)果和靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，缺少過(guò)程性評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)反饋，造成問(wèn)題察覺(jué)遲緩，不能達(dá)成自適應(yīng)調(diào)節(jié)。在數(shù)字孿生支持下，企業(yè)可以塑造起包含“指標(biāo)監(jiān)測(cè)—模型判斷—反饋改善”的循環(huán)質(zhì)量管理機(jī)制，即時(shí)察覺(jué)偏差，智能分析原因，并給出反饋改善建議，比如某鋰電企業(yè)把孿生平臺(tái)和即時(shí)SPC系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，察覺(jué)到材料比表面積波動(dòng)超標(biāo)之后，系統(tǒng)自動(dòng)參照孿生模型預(yù)先設(shè)定的邊界，判定是一次燒結(jié)周期過(guò)短造成的，立刻向控制端發(fā)出調(diào)節(jié)建議，調(diào)整下一批次的加熱時(shí)間，從而防止了不良品范圍擴(kuò)大。 質(zhì)量評(píng)價(jià)需向用戶(hù)端拓展，把結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）模塊歸入客戶(hù)反饋系統(tǒng)，把電池服役時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)傳回質(zhì)量模型，創(chuàng)建起“用后評(píng)判—源頭改進(jìn)”的反饋渠道，當(dāng)用戶(hù)提及高倍率放電時(shí)容量下降的情況，模型就會(huì)綜合環(huán)境溫度，電流變化和制程記錄，自動(dòng)標(biāo)明問(wèn)題原因并給出調(diào)整方案，依靠質(zhì)量評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)化和反饋機(jī)制的系統(tǒng)化，企業(yè)就能切實(shí)做到隨時(shí)掌握材料質(zhì)量并智能應(yīng)對(duì)，讓經(jīng)營(yíng)體系具有不斷完善，自主發(fā)展的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

鋰離子電池產(chǎn)業(yè)不斷邁向高端化與智能化，在此種大背景之下，正極材料全生命時(shí)段的質(zhì)量守護(hù)成為保障產(chǎn)品性能以及企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)的質(zhì)量調(diào)度模式已無(wú)法應(yīng)對(duì)愈發(fā)復(fù)雜的工藝流程以及多變的使用環(huán)境，所以急需借助新的技術(shù)路徑來(lái)做到守護(hù)體系的轉(zhuǎn)型升級(jí)，數(shù)字孿生是一座銜接物理世界與虛擬空間的橋梁，它具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)整合，狀態(tài)感知以及智能反饋能力，這給鋰電正極材料質(zhì)量守護(hù)給予了從“點(diǎn)狀監(jiān)督”邁向“系統(tǒng)把控”的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。文章通過(guò)對(duì)搭建價(jià)值，從問(wèn)題與策略的系統(tǒng)分析切入，給出全生命周期視角下形成數(shù)字孿生質(zhì)量體系的路徑建議，重視質(zhì)量循環(huán)創(chuàng)建、系統(tǒng)融合、人力提升和反饋機(jī)制改良的協(xié)同推進(jìn)。日后，當(dāng)人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)持續(xù)融入時(shí)，數(shù)字孿生會(huì)在鋰電材料行業(yè)起到更為重大的作用，促使質(zhì)量經(jīng)營(yíng)邁進(jìn)智能化、協(xié)同化和高效化的新臺(tái)階。

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