分享汇总锂离子电池生产中问题

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1.电池中的对立面

对立的双方相伴相生，失去一方则另一方也就没有了存在的可能。在电池当中，也有很多类似于零和游戏的对立双方，让我们在顾此失彼的困难抉择中也不禁赞叹矛盾的美妙。

能量密度与电芯性能。容量是电池的第一属性，而能量密度则是几乎所有电池在设计时所必须考虑的首要问题。当设计的能量密度提高时，电芯则不得不选择更薄的隔膜、材料也需要使用在极限压实和面密度下。一方面，如此极限的设计会让电芯的吸液更加困难，从而影响电芯的循环性能；另一方面更薄的隔膜铝塑膜、更高能量密度的材料也意味着更差的安全性能。能量密度与电芯性能，可以说是任何一家单位在设计电池时都不得不遇到的问题；一家单位往往是当其能量密度有较大优势时，电芯的循环安全性能就有可能存在一定隐患；当其循环安全性能做到百分百无误时，能量密度又往往较低而使产品缺乏很强的竞争力。文武毕竟是做技术出身(文武一直认为，入行后所从事的工作类型对其未来看待问题的角度有极大的影响；例如之前单位一个BOSS是做电子的出身，那他在遇到问题时永远想的都是“这不是电子的问题，是电芯的问题，电芯必须想尽一切办法提高”，而不可能想着电芯如何难做，即便未来让他去管理电芯事业部；之前单位老板业务出身，从他眼里永远看不到技术部的进步，市场部拉来订单就会给提成，而技术部做出来了新东西他觉得很正常；当然文武就个人能力而言无资格批评这两个BOSS，并且文武也不是在批评，只是为了说明“出身”对人思考问题切入点的影响)，电池这个行业，没有技术绝对不行，做低端的入门门槛太低人人都能做，人人都能做的结果就是大家互相压价，最后经常是谁宁可赚的最少甚至是谁宁可赔钱谁拿单；但是当技术优势建立起来后，竞争对手少了，也就自然有了定价权。一个单位可能囿于目前的市场而“无需”开发出技术含量很高的东西，但是技术部要有预研发的心态，确定自身技术特点（能量密度型？安全型？倍率型？），紧跟最前沿客户要求，对产品进行一些事先的预研，而后将其作为技术储备，当市场部拉到大客户样品单时，可以短时间完成设计和送样，从而占据先机（说着说着似乎天马行空了）。对未来的电池发展而言，安全性能更是突出问题，终结者3中阿诺将其体内的氢电池丢在路边从而引起巨大爆炸的场景让人难忘。只要是具有能量的东西，则不可能绝对安全；当我们手中可拿握之物的能量也在我们一只手所能掌控时，那问题尚且不大；但未来若是人人手中之物都有炸平房屋的能量，那安全隐患就可想而知了。

注液量与加工性能。单对电芯性能而言，提高注液量有益无害；但当注液量较多时，电芯的加工性能会明显下降，注液后真空吸附困难、热冷压和夹具baking时电芯压爆、除气后软电芯甚至不封口等问题都会接踵而至。严格上来讲，工艺中的注液量一定不可让电芯在加工时出现由注液量过大而引起的批量异常，否则注液量就有问题需要减少（若减少后带来的结果是保液量的下降及循环NG，那就说明要更换材料了）；当然在确认注液量有问题之前，从工序角度优化也必不可少，例如吸附困难时可不可以加大吸附箱容量从而提高效率、压爆时可不可以调低夹板下压速度从而减少压爆比例等，当工序优化已到极限或者已到自身短期无法再进一步优化的时候，那就降低注液量吧。当鱼和熊掌不可兼得时，最高领导拍板说要哪个，那就要哪个好了。

生产效率与产品良率。对生产而言，提高产量或者说提高效率是其骨子里所追寻的目标，更高的效率就意味着生产过程中更短的制程周期和更短的用于加工的时间，而后者往往会造成产品性能的降低。说来有趣，生产遇到的很多质量问题、都可以通过类似于“降低生产效率、增加加工时间”的方法来改善；例如涂布过程中遇到开裂可通过同时降低温度和走速来改善、半自动卷绕易变形可以通过卷绕速度先慢后快的变速卷绕来改善、化成时形成SEI膜效果不佳可通过减少充电倍率来改善、夹具baking后电芯发软可通过延长baking时间和电芯下夹前延长常温搁置时间来改善等等。从统计上来讲，“时间”在这里往往充当着“稳定因子”的作用；从感性上来讲，如果一个改善既可以在提高良率的同时提高效率，那之前所用的方法又是不是太没水平了呢？当效率与良率产生矛盾时，优先保证的一定是良率，但同时也要理解产线为了达到良率所损失的效率，人员的增加、设备的增补、产量的减少等，只有想人所想，你的改善方案才会被人所接受。

负极克容量与膨胀。硅基材料是未来负极材料的一个选择方向，其超高的嵌锂容量为最大的优势；但同时充放电过程中膨胀太大也是其未能推广的一个重要限制。石墨在嵌锂时，锂离子嵌入石墨层中间，其状态类似于两层棉被之间放了几个小玻璃球，形变必然小的同时嵌锂容量也不会太高。而锂与硅反应时，锂直接插入到硅硅原子之间，类似于在满满铺平一地的玻璃球中间再插入更多的玻璃球，虽然可嵌入的锂更多，但同时占用的体积也必然更大。表面上看似相关的“插锂容量高低”与“插锂后形变大小”，实际上都是由插锂的机理决定的。也就是说，当一个材料拥有更大的容量时，其充放电形变往往也容易更大，其推广也就必然受限。当然，优秀的材料是一定可以研究出来的，材料的膨胀也可以通过包覆或纳米处理等的方式来改善，并且也并不存在容量高形变一定大的必然结果（与其说是“结果”，倒不如说这是一个趋势），随着科技的进步，对新材料的开发会越来越重要（貌似中国发动机NG的一个主要原因就是材料不过关），文武这方面实力受学历所困外加当时此科选修开卷考试时竟然连书都没弄到，只能静待好的结果啦。

正极能量与安全。之前一位师兄曾对文武说过，材料能量越高也就会越不安全。当一个材料能量较高时，也就意味着其在充电后的脱锂量更大、同时结构变化也更大，因此也就更不稳定；例如钴酸锂满充后会有较多的4价钴存在从而增加了正极的氧化性、作为钴酸锂骨架的CoO2-1(钴酸根？)的结构受到了破坏、从而使正极材料更易分解进而降低了安全性。但当一个材料能量较低时，充电后也就失去了较少的锂，材料本身的结构得以更好的保留，安全性也就会因此提高；磷酸铁锂满充后，作为骨架结构、占整个分子比重很大的磷酸根并没有被破坏，分子结构没有被破坏，其安全性自然也就较高。与负极克发挥与膨胀看似相关实则都由材料结构决定一样，正极克发挥与安全看似负相关实则也都由材料自身结构所决定。

电池的材料、设计、制程等，共为一个统一的整体，相互之间关联无穷且又都源自于最根本的几个理论基础。在电芯的设计中，难免会有顾此失彼的时候，让矛盾中的双方同时达到最佳点是绝对不可能的，找到其最佳的平衡点或选择自己更为关注的方向作为优先参考方位方为最佳之举。

2.低容的思路分析

容量是电池的第一属性，低容也是样品、量产中经常遇到的问题。本文无法让你在遇到低容问题后一定可以立刻分析出原因，但是会给大家一个基本的思路。听到有电芯低容，第一个反应应该是确认低容问题是否属实。简单来说，先是要确认分容工艺是否设置错误（比如放电电流是不是设置大了、充电时间是不是设置短了）；如果分容工步设置无问题，就需要更换测试点之后对电芯进行重新分容，同时心里默念着“二次分容后一定不要再低容了”。当然对于量产乃至样品而言，分容柜误差造成的批量低容的概率很低，一般情况下都是电芯真的有问题了。若复测之后依旧低容，那就可以确认低容问题真的存在了（同时在复测的时候最好留一个心眼：满充3pcs复测电芯，以备后用）。

确认了低容存在之后，需要进一步确认低容发生的频度和严重度，从整体上掌握低容的实际情况。样品往往就是一批，不多说；但量产型号则存在“该型号一直低容”及“该型号偶发低容”这两种情况。对于前者，分析要以设计、选材角度及量产长期遇到的顽固问题作为切入点和优先考虑方向（例如是不是这个材料匹配是不曾验证过的？是不是最近产线经常出现同一个会引起低容的异常但一直拖拖拉拉未曾解决）；对于后者，则需要从产线操作及工艺变更来作为优先考虑对象（例如是不是这一批负极压死了？是不是产线为了产量缩短了老化时间？是不是工艺较之前进行了改变而这一改变有引发低容的风险）。频度确认了之后，还要确认一下相对不太重要的严重度，也就是低容电芯的比例以及容量低于要求值的比例。确认严重度更大程度上是为了可能的放宽容量规格及判定缺货数量提供依据，而对于问题本身的分析，意义没有确认频度一样重要，不过依旧必不可少。

整体上把握了低容实际情况之后，就要开始分析了。对于水平较高且遇到过同样问题的专家而言，拆3pcs电芯就应该可以大体断定低容的实际原因。但对于一般人而言，一是我们很难有类似的能力及积累，二是拿三个电芯照片无法充分向上级和同事说明问题（即使你的结论是正确的）。因此则需要更为系统一些的方法。在系统的分析之前，可以先将之前复测满充的低容电芯拆开看一下界面，若无问题，则很可能是正极涂布偏轻或设计余量不足的原因；若界面有问题，则可能是制程中或设计中方方面面的问题（这不废话嘛）。

分析开始了。首先需要最少低容8pcs电芯+容量合格的8pcs电芯。低容电芯再随机分两组为低容A组及低容B组，容量合格电芯随机分两组为合格A组及合格B组。而后将两个A组电芯放电至静止电压3.0V左右（文武习惯于0.5C放电至3.0V后再0.2C放电至2.5V；当然对象是钴酸锂和三元+石墨负极）；而后拆解低容及合格电芯，将正极片以85℃以上的温度真空烘烤24h（具体烘烤参数文武没有DOE验证过，不过可以确定给出的参数是可以完成分析的），而后称量低容正极片与合格正极片的重量差异；若低容极片重量明显低于合格正极片或低于工艺范围，则基本可以判断低容为正极涂布偏轻所致。对于烘烤后称量极片重量文武有两点需要补充：一是虽然正极的首次不可逆锂源会使正极损失一点重量，但总不可逆锂源的重量仅占正极锂源的5%左右、占正极片重量的0.5%以下，即使再加上由析锂所造成的不可逆锂源，其引起的正极偏轻也不会低于极片总重的1%；电解液在烘烤过程中不可能完全被烤干，但实际残留部分的重量相对极片重量而言也很有限。总体来说，烘烤正极后称量极片重量与卷绕前极片实际重量相比，误差不会超过2%。况且有容量合格正极重量与低容极片重量相对比，此种方法还是比较可信的（另外还听说过可以通过极片上面擦拭什么东西会更有助于电解液的烤干，其细节及原理文武不懂，希望有知道的朋友不吝指教）。二是同样的方法不适合于负极，原因为负极化成时会增加很多的重量，但可以通过实验给出化成后负极增重比例进而反推负极片重量、判断低容是否为负极过量不足引起；但文武没有做过类似实验，有兴趣的朋友可以自己测试一下。

若确认了正极偏轻为低容的原因的话则是万幸，但实际上这万幸的概率往往是万一而已。这样的话就要靠对低容B组及合格B组的分析了。B组电芯需要满充，而后拆解对比负极界面差异。低放电容量低等价于低充电容量等价于负极满充界面会有异常。其实大部分情况，只要低容发生了，那不论电芯是低容还是容量合格，其界面都会有类似的异常，只是程度不同而已。记录电芯界面情况时，也需要同时记录对应电芯实际容量，最后一般会得到类似于低容程度高的电芯其界面异常更为严重的结论。

由于本文已逾千字，故主体部分内容到此为止。大家可能更感兴趣的“低容常见原因”，文武会在一周内发出，而后将网址链接发于本帖的最后。“整体把握低容的情况”以及“对比低容与合格电芯的正极片重量及负极界面”是分析的必要切入点，确认这两个问题对未来最终判断低容的原因有方向性的指导作用，可以事半功倍，对于经验相对少的朋友更是如此。