鋰離子電池設計階段的質量管理

賴美珍，周軍，項良順*，相佳媛

（1.杭州南都動力科技有限公司，浙江 杭州 311199；2.浙江南都電源動力股份有限公司，浙江 杭州 311300）

近年來，在國家“雙碳”目標的引領下，新能源行業蓬勃發展。鋰離子電池作為一種重要的綠色能源，在電動汽車、通信基站、儲能電站、數據中心、民用動力等領域得到大規模應用。在新能源汽車中，鋰離子電池為汽車提供動力，鋰離子電池的質量關系到整車的安全。在高能量密度和低成本的需求驅動下，鋰離子電池安全事故時有報道[1-5]，相關研究大都聚焦在電池制造的質量管理[6-10]。從鋰離子電池研發人員的角度，結合鋰離子電池全生命周期以及應用實踐展開的質量管理文獻報道較少。

本文運用質量管理理論，結合作者多年的電池開發實踐，對關鍵的鋰離子電池設計階段的質量管理進行闡述，以期達到提升產品質量、縮短開發周期、降低開發成本的目的，提升我國新能源電池的質量和市場競爭力。

1 電池設計階段質量管理的意義

設計階段的質量影響最終成品電池的固有性能和成本，并且傳遞到產品制造和后期使用過程。鋰離子電池的開發，一般經歷立項、設計、小試、批試和量產等幾個階段。其中，立項和設計階段的固定成本相對較低，只需要投入策劃人員。小試和批試階段成本較高，需要導入生產線及工裝模具等固定資產，同時，還需要配備試制物料。圖1 為鋰離子電池開發質量杠桿圖，在整個產品開發的生命周期中，問題越在早期解決，需要付出的代價越小，越到后期，糾偏浪費的各種資源越多。因此，鋰離子電池設計階段的質量管理，可以最高效地節約產品開發成本。

圖1 鋰離子電池開發質量杠桿圖

項目最大的不確定性往往是在項目早期，對早期階段的高質量要求，是項目順利開展的前提。事實上，對于一款新的電芯開發，由于設計質量不佳導致的項目進度延期、開發資源浪費經常發生。設計階段的質量管理，通過對產品開發的目標、方案、進度和風險等進行系統管控，提升產品的交付質量，是電池廠商產品質量保證的基石。

2 電池設計階段質量管理的實施

2.1 對目標的質量管理

產品的開發目標是客戶需求的具體體現，正確和全面地識別客戶需求是設計目標質量管理的關鍵。然而，客戶的需求往往不容易收集，一方面是需求來源的相關方有偏差，因為研發人員收到的電芯的需求通常由項目經理傳達；另一方面是客戶也可能未表達清楚真實需求，因為客戶的描述方式不一定能完全正確地轉化為研發人員需要的技術指標。

挖掘客戶的真實需求可以采取以下方式：（1）頭腦風暴、小組會議，組織相關方進行焦點討論，以防需求的缺漏和偏差；（2）競品分析、行業對標，鋰離子電池的設計目標主要涉及電池尺寸（結構）、性能和成本等，這些指標可以結合行業標桿產品進行確定，以便產品有高的附加值和競爭力。

對目標的質量管理，除了上述的識別正確和全面，還應該符合以下五個維度的目標管理原則：（1）具體的（目標必須清晰明確）；（2）可衡量（能數量化，驗證這些績效指標的數據是可以獲得的，且能夠給出明確判斷的）；（3）可實現（目標應該是可達到的，避免設立過高的目標）；（4）相關的（目標必須與其他目標具有一定的相關性）；（5）有時間節點（目標必須具有明確的截止期限）。圖2 為某款戶外移動儲能電芯的開發目標。只有反復溝通、明確設計目標，才能減少目標的變更，提升項目開發質量。

圖2 鋰離子電池目標制定輸出的表單

2.2 對方案的質量管理

在確定鋰離子電池設計目標后，需要進行項目設計方案的準備。該階段的質量管理主要是對設計方案的可行性進行評估。為了提升設計方案的質量，可以根據產品功能和性能的要求采用質量功能展開（quality function deployment，QFD）[11]的方法進行設計方案的制定。QFD 是一種客戶需求驅動的產品設計開發理論，將提取的用戶需求轉換成產品開發各個階段的對應技術需求信息，達到圍繞客戶需求調整產品開發方案的目的，從而提高新產品開發的成功率。此外，還要結合類似產品的設計開發資料、法律法規、標準和行業規范等。

高質量的設計方案首先要滿足可制造性，在互聯網時代下的鋰電行業，原材料價格信息透明，提升制造良率可有效增加公司利潤，因此，面向可制造的設計方案尤其重要。其次，方案中的電池體系、配方、技術參數等工程規格需要滿足電池可靠性要求，這個階段應采用設計失效模式及后果分析方法（design failure mode and effects analysis，DFMEA），針對某些功能失效的影響后果確定其潛在失效模式，一般每種失效影響會對應多種失效模式；失效的潛在起因是針對失效模式而言的，其導致的后果就是失效模式，同時又是后面提出建議和糾正措施的依據；而失效根本原因的挖掘是為了能有效地制定相應的故障預防措施。圖3 是運用DFMEA 方法分析鋰離子電池容量和功率損失[12-19]。

圖3 鋰離子電池容量和功率衰減失效分析

方案的確定還可以采用全面質量管理學中PDCA[20]循環思想，其中P 階段是策劃階段，該階段的主要工作是改進機會的識別，制定改進目標以及達到這些目標的措施和方法；D 階段是實施階段，主要任務是實施改進計劃；C 階段是檢查階段，質量改進追求效果，而改進的效果需要檢查分析才能做出判斷；A 階段是處理階段，這個階段主要進行經驗總結，鞏固改進效果以及將遺留問題轉入下一個循環。設計方案不是僅靠一次工作循環就可以完成，而是需要經過多次循環，不斷改迸。在這個過程，考慮電池全生命周期，明確主要失效模式，反哺設計方案，也可以為產品和過程特殊特性清單的制定提供依據。如圖4所示，分析循環后期的磷酸鐵鋰電池體系，失效模式主要為負極固體電解質界面（SEI）膜的增厚消耗活性鋰離子以及石墨材料的克容量損失?；谏鲜鲅邪l經驗，提升設計方案的質量，可以重點管控設計方案中關于SEI 膜性能優化和石墨材料的循環穩定性優化。

圖4 磷酸鐵鋰電芯循環失效模式定量分析

2.3 對進度的質量管理

目標和方案確定后，設計階段需要制定后續各項活動的時間進度，使整個開發過程在受控狀態下進行。設計階段進度的質量管理，主要考慮進度里程碑節點設置是否合理，相應節點下輸出的項目資料是否完善。常見引發進度問題的原因有：目標和方案頻繁變更、進度延誤、項目混亂；跨部門考核機制不完善、溝通困難、項目推進緩慢。進度的質量管理最佳實踐包括：（1）根據溝通計劃，與項目相關人員進行有效溝通；（2）嚴格監控項目進度，提前預警、及時糾偏；（3）重點跟蹤監控高風險任務，并采取防范措施。

此外，在進度的制定上，明確關鍵路徑即耗時最長的任務，良好的進度管理是向關鍵路徑要時間、向非關鍵路徑要資源。鋰離子電池的開發，關鍵路徑有物料采購（新型物料需要供應商開模）、新產品試制調試、產品測試（儲存和循環等可靠性測試周期長）等，在這些關鍵路徑的進度管理上要明確真正的資源日歷，而不是簡單的自然日歷去推算。

將進度做到可視化，可以提高進度管理質量。甘特圖是將任務列表和時間周期可視化的較好的工具，通過活動列表和時間刻度表示出特定項目的順序與持續時間，一條線條圖，橫軸表示時間，縱軸表示項目，線條表示期間計劃和實際完成情況，直觀表明計劃何時進行、進展與要求的對比。

2.4 對風險的質量管理

項目不同階段會有不同的風險，隨著項目的進行，不確定性隨之減少。設計階段是項目的早期階段，風險是不可避免的，關鍵在于對風險進行識別和管理。鋰離子電池開發設計階段的風險分類有外部不可預測的風險（客戶需求變更）、內部非技術風險（進度拖延、成本超支、管理問題等）、技術風險（現有設計下電池性能不足）、工藝風險（新型制備工藝）、法律風險（專利侵權）等。

對風險進行識別后，首先實施風險定性分析，即分析風險發生概率及風險帶來的影響，對風險的影響進行評級；其次，規劃風險應對策略，應對策略有規避、轉移、減輕、接受等；最后進行風險監控，執行風險應對計劃，細化到責任人和完成時間節點，有識別有跟蹤才能做到有效的風險管理。

在鋰離子電池設計階段的風險應對策略主要有規避和減輕，如圖5所示，在鋰離子電池可靠性設計時，從材料體系設計和電芯參數設計上進行規避或者減輕風險。

圖5 鋰離子電池可靠性設計風險規避（減輕）措施

3 結語

隨著新能源汽車產業和儲能領域的大規模發展，鋰離子電池行業迎來了前所未有的機遇，同時也面臨著巨大的挑戰，提升鋰離子電池的質量是提升其市場競爭力的必經之路。本文首先從質量杠桿的角度論述了設計階段質量管理的重要性，設計階段的質量管理可以最高效地節約產品開發成本。其次，結合“SMART”目標管理原則、QFD 方法、DFMEA、PDCA 循環思想等質量管理理論對設計階段目標、方案、進度、風險進行質量管理的實施；同時，根據鋰離子電池開發實踐經驗，提出對方案制定和風險管控上的質量提升建議。

如今，鋰離子電池產業的急劇擴張、產能的迅速釋放、對產品成本的極致壓縮等，導致鋰離子電池質量良莠不齊。因此，進一步改進鋰離子電池質量是十分必要的；設計階段是鋰離子電池開發過程的基礎，研究設計階段的質量管理極具意義。

結合上述對鋰離子電池開發過程中設計階段的質量管理論述，提出對行業未來設計階段質量提升的建議：一是鋰離子電池企業加強設計階段的重視程度，產品目標的制定必須從應用的角度出發，立足鋰離子電池全生命周期的可靠性設計，提高產品的性能底線；二是從微觀結構、宏觀尺度，從電芯本體、模組層級等多維度系統解析鋰離子電池的失效特征，深入研究不同時空、工況條件下鋰離子電池健康安全狀態和電化學性能失效機制，為產品的設計方案提供理論依據；三是在競爭日益激烈的市場環境下，鋰離子電池行業同質化現象已越發明顯，避免同質化需要企業強化技術創新能力，在產品設計階段，不斷追求產品和服務的本質創新。