數據分析在鋰電池品質中的應用

王艷萍，李德勝，何 東，楊樹成，鄧永勇，朱明新

（1.青海時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，鋰電池具有質量輕、密度大、體積小、循環壽命長、自放電小等顯著優勢，被廣泛應用于航天、軍事、動力汽車和電動車等領域，打開了新型環保、便攜式等交通工具的生產制造市場。鋰電池生產企業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、中心距等尺寸數據，并進行數據分析，改善鋰電池內電芯的品質，延長鋰電池的使用壽命。本文采用實驗的方式證明數據分析在鋰電池品質中的應用價值，實驗過程如下。

1 研究實驗

1.1 實驗參數

任何新能源、新技術被投入市場使用前都需要進行多次實驗，作為新能源的鋰電池更是少不了動靜態實驗。研究人員使用相關技術和方法對鋰電池試驗中產生的數據進行統計分析，掌握鋰電池在靜態和運行中的變化特性。此次研究使用MINTAB軟件對格林昇全自動卷繞機制造出來的鋰電池電芯進行數據分析，采集電芯的寬度、厚度、整齊度、中心距這幾項的數據。

1.2 實驗準備

選取鋰電池電芯樣本，檢查參與實驗的電芯指標，以此來評估機器的自動卷繞能力。收集1k電芯型號的全自動卷繞文件，制造部門編制試產單，安排試產1k電芯。在試產過程中根據電芯層數，選擇恒定張力放卷，調試設備的張力大小，保持最小張力。完成設備調試工作后， 上下隔膜放卷張力120g，左右極片放卷180g。

1.3 實驗數據分析

1.3.1 中心距問題

使用MINTAB軟件對采集到的鋰電池數據進行分析，電芯中心距的檢驗結果顯示不合格，機器的LCL-UCL線范圍大于LSL-USL線范圍，在連續生產中容易出現劣質品。造成中心距指標不達標的原因有三點：一是參與實驗研究的鋰電池電芯中心距處于設計極限狀態，要保持全自動卷繞電芯的中心距就要加寬機器卷針的寬度，而卷針加寬就會導致卷芯寬度隨之增加，無法完成包裝[1]。因此在實際生產中首先會考慮卷芯的寬度，在保證卷芯厚度符合標準的情境下再調節控制中心距，等于放寬了中心距LSL。二是采用卷繞結構的鋰電池電芯的負極耳位置在卷繞后容易出現松動，負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驗采樣誤差，影響了實驗結果的真實性與可靠性。三是貼膠位置不準確導致的，試產的鋰電池在制片貼焊后需要將膠紙蓋到極耳膠，而在實際貼膠過程中常常因為波動而將膠紙邊緣貼到卷芯外側的極耳膠位置，導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生。

1.3.2 改善方案

不符合設計標準的產品中心距會增大生產線的產品淘汰率，影響采樣測量的準確性。為保證鋰電池生產工作的有序進行，在完成試產鋰電池的數據分析后，找出問題產生的原因，制定相關解決方案。如優化結構設計，基于PACK評估合理設計卷芯寬度與自動卷繞中心距。點break內轉鎳，使用pack轉鎳夾具，確保生產出來的產品中心距尺寸為19mm±1.5mm。內折鎳后的中心距尺寸滿足設計標準，不過需要定期更換pack折鎳夾具。按照設計結構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。還可以通過微調卷針寬度的方式，控制卷芯的極耳中心距。強行控制卷芯寬度的狀態下，卷芯極耳中心距服從正態分布，制程相對穩定，設計人員可以從設計角度進行優化。

1.4 卷芯寬度過程能力

試產鋰電池采用卷繞設計結構，微調卷針寬度后，能夠得到精準的中心距尺寸，保證卷芯的寬度。卷芯寬度數據變化有可能是卷針調節前后的卷芯造成的，系統流程均值變化證明了數據采集中得到的卷芯有可能為微調卷針前后卷繞的。分析卷芯寬度的正態概率圖，p＞0.05，數據服從正態分布。分析卷芯寬度CPK指標，試產的卷芯寬度CP=1.69，CPK=1.17，CPK會受上限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]。客戶對鋰電池的品質要求嚴格，設備能力要相對穩定，制程受控，卷芯寬度和卷芯中心距要滿足設計結構標準。生產機器的運行穩定性對鋰電池的品質有很大的影響，為提高卷芯寬度的過程能力，企業可以加強設備的投入成本，降低設備運行中對卷芯指標的影響。

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，全自動卷繞對卷芯厚度影響不大，卷芯厚度會受到隔膜厚度與極片的影響。在實際生產中加強對涂布機的要求，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量。采用MATLAB軟件接收采集到的靜止薄膜厚度數據，根據用戶設計的CUI布局生成數據庫，顯示出原始數據的圖形[3]。靜止薄膜厚度有多個采樣點，生成的薄膜厚度圖像呈較為穩定的波形，證明鋰電池在靜止狀態下的薄膜厚度差距不大。在實驗過程中采集生產現場的鋰電池極片涂層材料的厚度數據，對制造設備進行實施控制，降低設備運行功耗，提高鋰電池加工的成品率。

1.7 自動卷繞過程能力

通過分析卷芯自動卷繞正負錯位過程能力的指數，得出工序能力指數CP值合理，CPK比較低，結果表明Cpl拉低了CPK指數，卷繞后的卷芯正負錯位偏離設計目標[4]。在卷繞調機時，按中限對正負錯位進行首檢控制，調節卷繞的放卷和送片糾偏，使卷繞滿足正負錯位的需要。控制好正負錯位，有利于優化大小片的設計標準，增加正極寬度，提高鋰電池比容量。

2 實驗結果

在此次鋰電池試產實驗中使用MINTAB軟件進行數據采集與分析，得出機器的制造性能，為研究人員提供鋰電池制造生產中的數據，有助于優化鋰電池的生產制造流程。在此次實驗中主要對全自動卷繞機器生產的鋰電池電芯進行數據分析，研究人員分析影響鋰電池電芯品質的相關指標，找出數據間的規律性[5]。試產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，根據實際加工環境制定改善方案，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。

3 數據分析對鋰電池品質的影響

3.1 確保材料性能

鋰電池由電解液、正負極材料與隔離材料組成，正極材料為主要構成材料，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。選擇導電性與安全性好的材料可以延長鋰電池的循環壽命，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，研究人員使用數據分析得出不同原料的振實密度。鈷酸鋰振實密度約為2.1g/cm3～2.4g/cm3、摻碳磷酸鐵鋰振實密度為1.0g/cm3～1.2g/cm3，摻碳磷酸鐵鋰的振實密度低、制造出的電池體積會較大，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備導電性與振實密度[6]。基于數據分析對鋰電池的原材料制作進行實驗，控制溫度和粘結劑配比，提高鋰電池的導電性能與電容量。

3.2 改善鋰電池性能參數

鋰電池在生產制造中產生的數據量非常大，無論是鋰電池生產制造商還是客戶群體都需要電池數據，鋰電池的生命周期以實驗數據作為支撐，工作人員通過分析試產電池的數據得出電池的各項性能指標，調整不合理、不符合設計規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。鋰電池的各項性能指標明顯優于鎳鎘電池、鎳氫電池和鉛酸電池，如表1所示。

表1 常用電池性能參數對比

使用數據采集的方式對不同的蓄電池性能進行比較，對比研究發現鋰電池的比電壓、比功率、循環壽命、體積密度等指標明顯優于其他蓄電池，具有無污染、存電能力強、循環壽命長等優點。在實際使用中新能源汽車的里程不及傳統燃油汽車，需要在保證安全性能的基礎上增加鋰電池的儲電量。鋰電池作為封閉的電化學反應系統，本身具備復雜性，在高溫環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。低溫狀態下工作又會降低鋰電池的性能，鋰電池容易受到工作環境、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、安全系數高的鋰電池開發與試驗非常重要。研究人員使用數據分析系統，對不同類型的電池進行歷史數據讀取與分析，診斷和顯示電池故障，用統計特性曲線顯示出試產電池的狀態，清晰、準確的掌握鋰電池動、靜狀態下的性能指標，便于研究人員發現鋰電池生產中的問題，及時調整制造工藝和機器設備，確保鋰電池的各項性能指標合理，保證鋰電池的質量過關[7]。

4 結語

隨著新能源汽車的快速興起，鋰電池產業隨之茁壯發展，有關鋰電池的研究也越來越多。鋰電池采用螺旋繞制結構，可反復充電多次使用，為提高鋰電池的品質與使用年限，對鋰電池的各項數據進行分析，找到影響鋰電池質量的相關因素，加以控制，提高鋰電池的安全性、環保性與耐用性，促進鋰電池產業的健康發展，提高鋰電池廠商的市場競爭力。