電池制造的案例
鋰離子電池制造工藝仿真技術進展
摘要: 鋰離子電池的綜合性能不僅取決于材料和結構的創新，還與制造工藝及相關設備技術的進步息息相關。目前電池制造廠商針對不同體系的電池工藝開發多采用窮舉法進行實驗試錯，在工藝仿真技術方面還存在較大的發展空間。面向電池高質量制造發展和數智化升級的行業發展趨勢，本文結合宏觀電池制造設備和微觀電池電極結構兩個角度，對電池制造工藝仿真研究現狀進行了系統總結，分析了各工序工藝仿真技術機理研究、結構發展及應用前景，并進一步指出當前研究的不足及未來的發展趨勢，旨在為優化鋰離子電池的制造流程和提高其綜合性能提供理論參考。
關鍵詞: 鋰離子電池 ; 電極制造 ; 電池制造工藝仿真 ; 電極微觀結構 ; 電池制造設備
前言
能源存儲是人類在21世紀面臨的重大挑戰之一［1］，作為電動汽車的主要儲能設備，鋰離子電池以其優異的電化學性能及經濟性表現在全球儲能設備中發揮著不可替代的作用［2］。為進一步提高鋰離子電池的綜合表現，探究鋰離子制造工藝參數與電極微觀結構以及電池整體電化學性能之間的相對關系，基于此建立對應的模型化表達已成為目前行業的研究熱點之一［3-4］。近年來學界對鋰離子電池單體、模組、電池包及整車系統的宏觀仿真模擬發展已趨于成熟［5-6］，但在微觀尺度下依據鋰離子電池各制造工藝機理進行建模并探究對電池性能影響的研究仍在起步階段［7］。探究電池制造工藝對電極結構的影響，并建立電極微觀結構與鋰離子電池整體電化學性能的關系，以此為基礎對鋰離子電池制造工藝流程進行優化設計顯得尤為重要［8］，圖1所示為鋰離子電池從電極材料選擇到整車系統設計的多尺度處理和仿真示意圖。
圖1 鋰離子電池制造從材料探究到系統設計的多尺度處理和模擬示意圖
鋰離子電池本身是一個極復雜的電化學系統，其性能受到多個物理場內不同因素的影響，表現出時變性和不可觀測性［10］。
展開 電池設計 | 如何利用仿真提高電動汽車電池工藝制造效率
利用仿真優化電池生產流程
不過好消息是，全球領先的金融機構高盛集團（Goldman Sachs）認為，隨著供應趕超，整體需求降溫，鎳和鋰等電動汽車電池常用原材料的熊市即將來臨。因此，明年電動汽車價格很可能會開始下降。
從現在到2025年，電池價格預計下跌40%，而其中還有另一個原因。為進一步降低成本，制造商正在通過簡化封裝來降低復雜性。他們也在選擇更優的材料（例如硅），這種材料能同時縮短充電時間并提高能量密度，從而在相同重量下提供更多能量。
但是，如果采用更傳統的工藝方法來實現這些想法，會限制效率和可持續性。如果沒有實質性的改變，他們很可能仍會在優化生產流程、識別節省成本的機會和有效解決可持續性問題方面困難重重。
由于缺乏明確的方法來改進流程，制造商發現自己陷入了漫長的構建-實驗-廢棄-重復周期。而仿真可提供所需的洞察，來解決工藝流程和生產線開發各個階段的問題，從而減少這些成本高昂的試錯實驗并延長正常運行時間。如果沒有仿真提供的數據洞察，想要解決這種復雜性幾乎是不可能的。
在整個電動汽車電池市場中，電池制造商正在利用虛擬環境應對眾多技術工程挑戰。他們依靠仿真來滿足客戶規范、降低成本、保持質量、確保安全性和合規性，以及解決勞動力短缺問題、改進電池報廢處理和回收，并已取得了積極成果。
Mandloi表示：“更多的電池制造商正在生產過程中利用基于物理的仿真和安全性分析來獲得寶貴的洞察信息。Ansys的仿真工具和求解器使他們能夠優化電池設計，并在工廠車間確定合適的設備和工作流程，從而提高流程中的可擴展性、質量和可持續性。”
Ansys的客戶——英國電池工業化中心（UKBIC），是一家國家級電池工藝制造規模化設施，其依托仿真為不斷發展的電池行業提供技術。該設施在使用Ansys多物理場軟件開發電池技術和技能方面發揮著關鍵作用，以助力英國實現電氣化目標。
展開 中國大幅上調電池原材料價格，韓國三大電池制造商被迫漲價
蓋世汽車訊 據外媒報道，韓國電池制造商合計占據全球電動車電池市場40%的份額，但隨著電動汽車產量的增加，以及各國電池制造商競相提供廉價電池的情況下，韓國電池企業面臨的問題越來越明顯。
12月27日，電池界消息人士透露，因中國大幅上調了電動汽車電池原材料的價格，LG新能源、SK on和三星SDI等韓國三大電池企業也紛紛上調了電池成品價格。
LG新能源計劃在明年1月將其圓柱形電池的價格上漲10%，這是該公司圓柱形電池的價格首次上調達10%。而三星SDI早在11月份就已經將其圓柱形電池的價格上漲了8%。
（圖片來源：SK Innovation)
雖然中國不是鈷、鎳和鋰等電池材料的主要生產國，但卻是這些材料的主要加工國。韓國一家電池企業的相關人士表示:“如果中國企業提高原材料價格，我們也只能跟隨中國企業的步伐漲價，這將導致我們在國際市場上的價格競爭力下降。”
截至12月23日，鋰現貨價格為每公斤230.5元，比2020年底的每公斤44元上漲了5倍多。在過去的一個月里，鋰價格上漲了24.3%，達到了歷史最高水平。鋰是鋰離子電池正極的關鍵材料，鋰的價格在全球市場上是以人民幣計價的，而不是美元，因為中國制造商是該市場的主導參與者。
截至12月23日，鈷價升至每噸70,205美元，為三年來最高水平，而鎳價在上個月升至每噸2萬美元，為7年來的最高點。
行業數據顯示，中國目前控制著全球近60%的鋰、35%的鎳和65%的鈷的加工。在世界主要鈷產地剛果的14個大型鈷礦中，中國擁有8個，與此同時中國還正在收購南美的鈷礦。世界最大的鋰生產國澳大利亞將其近90%的鋰出口到中國進行加工，然后再用于電池。
展開 鋰電池制造工藝全解析
鋰電池結構
不同結構形式、不同材料的工藝相似但裝備需全新配置
鋰離子電池構成主要由正極、負極、非水電解質和隔膜四部分組成。目前市場上采用較多的鋰電池主要為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，二者正極原材料差異較大，生產工藝流程比較接近但工藝參數需變化巨大。若磷酸鐵鋰全面更換為三元材料，舊產線的整改效果不佳。對于電池廠家而言，需要對產線上的設備大面積進行更換。
鋰電池制造工藝
前中后三道工序，占比接近35%/30%/35%
鋰電池的生產工藝比較復雜，主要生產工藝流程主要涵蓋電極制作的攪拌涂布階段（前段）、電芯合成的卷繞注液階段（中段），以及化成封裝的包裝檢測階段（后段），價值量（采購金額）占比約為（35~40%）:（30~35）%:（30~35）%。差異主要來自于設備供應商不同、進口/國產比例差異等，工藝流程基本一致，價值量占比有偏差但總體符合該比例。
鋰電生產前段工序對應的鋰電設備主要包括真空攪拌機、涂布機、輥壓機等；中段工序主要包括模切機、卷繞機、疊片機、注液機等；后段工序則包括化成機、分容檢測設備、過程倉儲物流自動化等。除此之外，電池組的生產還需要Pack 自動化設備。
鋰電前段生產工藝
極片制造關系電池核心性能
鋰電池前端工藝的結果是將鋰電池正負極片制備完成，其第一道工序是攪拌，即將正、負極固態電池材料混合均勻后加入溶劑，通過真空攪拌機攪拌成漿狀。配料的攪拌是鋰電后續工藝的基礎，高質量攪拌是后續涂布、輥壓工藝高質量完成的基礎。
涂布和輥壓工藝之后是分切，即對涂布進行分切工藝處理。如若分切過程中產生毛刺則后續裝配、注電解液等程序、甚至是電池使用過程中出現安全隱患。因此鋰電生產過程中的前端設備，如攪拌機、涂布機、輥壓機、分條機等是電池制造的核心機器，關乎整條生產線的質量，因此前端設備的價值量（金額）占整條鋰電自動化生產線的比例最高，約35%。
展開 
前8月規模以上電池制造企業利潤總額同比大漲66.1%
10月25日，工信部發布了2021年1-8月電池行業經濟運行情況。數據顯示，2021年1-8月，全國規模以上電池制造企業營業收入6620.2億元，同比增長47.0%，實現利潤總額331.3億元，同比增長66.1%。
圖片來源：工信部官網截圖
2021年1-8月，全國電池制造業主要產品中，鋰離子電池產量146.0億只，同比增長38.7%；鉛蓄電池產量15518.7萬千伏安時，同比增長18.7%；原電池及原電池組（非扣式）產量275.7億只，同比增長7.2%。其中，8月當月，全國鋰離子電池完成產量19.0億只，同比增長5.4%；鉛蓄電池產量2134.4萬千伏安時，同比增長8.8%；原電池及原電池組（非扣式）產量36.9億只，同比下降2.0%。
電池產量及營收的上漲與下游產業的增勢密切相關。從新能源汽車領域來看，今年8月新能源汽車產銷繼續刷新記錄，并首次超過30萬輛，當月滲透率已提升至17.8%，1-8月滲透率也繼續提升至近11%的水平。值得一提的是，早在今年7月，基于上半年新能源汽車市場的增長趨勢，中汽協就將今年新能源汽車銷量預測目標由年初的180萬輛上調至240萬輛，同比增長約76%。
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展開 電池行業-智能制造解決方案研討會
會議主題：
電池行業-智能制造解決方案
會議時間：
2022/04/28，14:00-15:00
關鍵詞：
動力電池，智能制造，汽車動力總成，企業可持續發展
活動摘要：
隨著國家雙碳政策的推進，諸多電池廠商快速成長，獲得政策福利的同時也面臨諸多挑戰：市場需求量的不斷攀升，OEM廠商對質量的嚴格審核，流程離散混合形態的生產模式……企業制造運營管理平臺應該如何應對，為其可持續發展保駕護航？
4月28日，周四，下午，動力電池行業資深技術顧問，為您帶來新時代下電池行業的智能制造解決方案。
主講人簡介：
李秋玲，達索系統 DELMIA APRISO 技術顧問。
北京華盛揚-電池行業智能制造經驗：
北京華盛揚科技，成立于2001年，深耕工業制造領域20余年。擁有強大的MOM技術實施團隊，和豐富的電池行業MOM APRISO實施經驗，曾為遠景動力等多家動力電池頭部企業提供MOM實施與軟件供應服務。
活動報名鏈接：
https://3ds.tbh5.com/dianchi/EventDetail.aspx?eid=601&f=hsy
MOM APRISO服務及技術咨詢：
展開 投資約135億元，寧德時代將在宜春建新型鋰電池生產制造基地
根據合作協議，寧德時代將在宜春建設寧德時代新型鋰電池生產制造基地項目，規劃用地面積1300畝，投資總金額約135億元。
圖片來源：寧德時代
值得一提的是，與此同時，寧德時代還在宜春簽署了另外兩項合作協議，包括與宜春市礦業公司簽署合作協議，以及與合眾新能源汽車簽署全面戰略合作協議，意在深耕產業鏈上下游。
今年7月30日，寧德時代與江西省政府、宜春市政府在南昌簽署戰略合作框架協議，寧德時代新型鋰電池生產制造基地項目擬落戶宜春。此次簽約，標志著寧德時代與宜春市的合作向前邁出了堅實的一步，也是寧德時代全產業鏈布局的重要舉措。據稱，此舉將進一步完善該公司產能布局，滿足其未來業務發展和市場拓展需要。
基于動力電池下游需求增速加快，供需錯位下鋰電原材料成本急劇攀升。尤其是鋰資源，海外鋰資源新增產能低于預期，產能周期難解短期供給困境，鋰資源供應愈發趨緊。在此背景下，寧德時代布局上游鋰資源的需求十分迫切。
而寧德時代之所以選擇將新型鋰電池生產制造基地項目落地宜春，并不難理解。宜春擁有豐富的鋰云母礦資源，投資宜春可獲實現上游鋰資源獲取的便利性，降低生產和運輸成本。資料顯示，宜春擁有全球最大的鋰云母礦，現探明可利用氧化鋰儲量約250萬噸。同時鋰云母一步生產碳酸鋰技術單提純不斷獲得突破，使得云母提鋰成本逐步下降。
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展開 報名 | 聚焦行業：汽車動力電池生產制造工藝仿真
對于電池企業來說，電池的生產制造工藝是至關重要的一個環節，它直接決定最終電池產品的成品率，而物料使用率和生產規模等諸多因素也影響著企業的利潤。已有多家海外電池企業，如松下和LG化學等，由于很早就對電池工藝仿真做了大量研究和實踐，目前他們的電池差品率可達到驚人的3ppm（百萬分之三），相比之下目前國內絕大多數電池廠商還仍有較大差距。
涂布機模具外部流動速度分布
涂布機模具外部流動膜厚分布
鑒于Ansys擁有完備的多物理場電池仿真解決方案，我們將在5月5日推出《聚焦行業：汽車動力電池生產制造工藝仿真》網絡研討會，本次活動將針對電池生產制造工藝的不同過程準備相應最佳實踐案例，尤其以下兩大生產工序：電極生產制造，包括勻漿過程、涂布過程和干燥過程；膜生產制造，T型模具和雙螺桿擠出系統。歡迎電池生產企業工程師、電池生產工藝設備設計工程師、新能源動力電池工程師預約本次活動了解更多詳情。
時間
5月5日（星期四），9:30-12:00
講師介紹
井文明 | Ansys電池行業專家
Ansys電池行業專家及流體高級工程師。畢業于北京航空航天大學，具有10年豐富的流體仿真及測試經驗，專注于燃燒、化學反應及新能源電池等專業方向。
展開 戴姆勒收購電池制造商ACC 33%的股份，ACC產能或提至120GWh
蓋世汽車訊 據外媒報道，戴姆勒旗下的梅賽德斯-奔馳表示，將收購歐洲電池制造商Automotive Cells Company (ACC) 33%的股份。ACC電池合資企業最初是由Stellantis公司和道達爾能源公司(TotalEnergies)創立，隨著梅賽德斯-奔馳的加入，他們承諾到2030年將ACC的電池產能至少提高到120GWh。
（圖片來源：Automotive Cells Company）
9月24日，戴姆勒首席執行官Ola Kaellenius在聲明中表示，此次合作的目的是開發電池和電池組件，并“幫助歐洲確保在汽車行業的核心地位，即使是在電動車時代”。
作為戴姆勒到2039年實現碳中和供應鏈目標的一部分，ACC生產的電池將有95%可回收利用。戴姆勒表示，ACC將從2025年開始為梅賽德斯-奔馳提供電池技術。
合資協議的內容還包括戴姆勒將在2022年向ACC的電池項目投資約30萬歐元，并補充稱，其總投資預計將保持在10億歐元(約12億美元)以下。
ACC還分別獲得了法國和德國13億歐元的投資。為了在2030年前實現預期的120 GWh產能，ACC預計將需要70億歐元的股權、債務和補貼。
梅賽德斯-奔馳將與Stellantis和道達爾能源一起成為ACC的平等股東。ACC已經宣布將在法國北部和德國分別建造一座電池工廠。
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展開 Moldex3D模流分析之電池制造商如何利用CAE模流分析軟件讓設計問題迎刃而解
大綱
在汽機車及工業電池制造業累積豐富的模具、儀器和設備供貨商經驗，RAMCAR Technology Inc.不斷投資工業設備及開發世界產品，以提升核心競爭力，終于成功躋身業界知名品牌，而Moldex3D射出成型模流分析軟件即是RAMCAR的重要投資之一。采用Moldex3D對RAMCAR的影響甚巨，使其得以較少的成本與時間，制造出更佳質量的產品。
挑戰
雙模穴及多澆口系統內的流動不平衡
肉厚不均問題
嚴重翹曲變型
過度保壓造成毛邊
解決方案
RAMCAR運用Moldex3D CAE模流分析軟件成功辨識真正的設計問題，節省不必要的開模成本和昂貴的設計變更，并且大幅提高生產力
效益
縮短16％周期時間
提升40％生產效率
案例研究
隔板上的針孔問題造成電池外殼無法通過電解測試
此案例展示了RAMCAR如何有效利用Moldex3D模流分析軟件，成功驗證電池外殼的真正設計問題，做出較佳的設計決策。
此案例的電池外殼件因生產不良率高，而無法通過電解測試。Moldex3D模流分析軟件提供強大的可視化分析能力，幫助RAMCAR團隊了解造成產品缺陷背后的原因。經由充填流動分析，RAMCAR團隊得以順利辦別出發生針孔問題的關鍵位置是電子外殼隔板的上半部。
透過Moldex3D的充填模擬分析，找出針孔問題發生在隔板的上半部
在了解針孔之于產品質量的影響之后，RAMCAR團隊需要在最短時間內提出解決方案。因為是既有產品，模具、設計以及其他相關制程和零組件都可能受到影響，故應盡量將設計變更次數降低。
展開 海克斯康王春江：從設計與制造著眼，讓電池更“安心”
本次會議持續兩天，將圍繞新能源三電中長期技術發展趨勢、政策、標準、上下游供應鏈、成本、材料體系、電池結構技術、熱管理、安全技術、電機電控關鍵技術、智能制造等行業焦點話題展開。會議期間， 海克斯康制造智能研究院汽車行業研究院院長、華東事業群副總裁王春江發表了“從設計與制造著眼，讓電池更‘安心’”的主題演講。
以下為演講實錄：
大家下午好！感謝周總提供這一很好的交流平臺。
海克斯康自己不是做電池，我們的使命是希望通過我們的技術讓電池能夠變得更安全一些。
電池產業現在發展很快，但希望有更高質量的發展，海克斯康公司很大一塊業務和技術就集中在質量方面。
今天主要分享四方面：
一、海克斯康集團介紹
二、虛擬仿真技術
三、質量管理技術
四、智能工廠方案
一、海克斯康集團介紹
海克斯康是一個來自于歐洲的公司，主要專注點在傳感器和軟件，通過傳感器和軟件的結合為客戶提供數字化信息解決方案。
集團目前兩個最關注的場景：1.智能制造。2.智慧城市。
在全球科技公司中排名第36位，全球有2萬多名員工。
這幾年，集團不斷并購新的軟件公司、新的傳感器公司，希望通過我們的核心技術實現虛擬技術和數字技術連接。
集團集合了將近200家專業技術公司，涵蓋了多種傳感器和軟件，比如德國Leitz工廠做高精度測量設備，還有意大利工廠專注車身測量設備，鷹圖專門做地圖和規劃軟件，還有專門做無人駕駛平臺的公司。
展開 
Ansys電池生產制造工藝過程仿真解決方案
電池生產設備和仿真分析介紹
鋰電池結構
鋰電池生產制造過程
涂布設備總覽：電極工序
電極工序仿真分析難點及Ansys對應的方案
隔膜生產線：雙軸拉伸隔膜
隔膜工序生產難點及Ansys對應的解決方案
電極制造設備-Mixing
攪拌混合設備：固液兩相流
攪拌混合設備：行星式攪拌機
攪拌混合設備：行星式攪拌機overset meshing
電極制造設備-Coater
涂布機分類
槽模涂布機：模頭內部流動分析
非牛頓流體
槽模涂布機：模頭內部流動分析
槽模涂布機：出流部分
毛細數
涂布分析：涂布穩定區域分析
展開 線上研討會 | 達索系統電池行業智能制造解決方案
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當今諸多電池廠商快速成長的同時也面臨諸多挑戰：
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※ 如何獲得實時、數據驅動的KPI來衡量生產率？
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※ 如何更好地管理生產線、物料流和周期時間？
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※ 如何增強整個生產系統并推動實時制造流程？
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達索系統專家通過實際案例，讓Apriso MOM帶您沉浸式體驗電池行業制造工廠的可見性、控制及同步。
展開 Moldex3D模流分析之汽車電池制造商借助模流縮短70%模具開發時間
對于塑料件和模具設計團隊而言，要確保可制造性又是一大挑戰，因為塑料相當復雜，產品質量經常會因為不同的參數結合或是不同條件下而產生變異。
經過長時間的耕耘，累積近二十年的產業經驗，電池知名制造商Ramcar Technology Incorporated(RTI)致力于設計各式塑料射出件。有鑒于客戶的需求如：交貨時間、質量和成本…等日趨嚴苛，RTI 決定導入CAE分析工具來鞏固其塑料射出地位。歷經兩年后，以仿真為導向的設計與制造成功幫助RTI達到兩項預期目標：
模具開發周期大幅縮短百分之七十-我們在短的時間內實現了優化的產品開發制程。
經由設計驗證所累積的關鍵技術與知識成為RTI珍貴的技術資產和優勢。
以下的RTI的案例更直接應證了現代管理之父Peter F. Drucker的名言： “效率是用對的方式做事，效能是做對的事。”
這是一個遭遇變形問題的汽車電池上蓋案例。該案例看似簡易，但是待深入了解后才會發現如果依循傳統的試誤法，開發過程是非常耗時、耗工且耗成本的。
一般來說，遇到產品變形問題代表的是頭痛的開始。不同的團隊所提供的建議可能會有些差異，包括產品設計、模具設計、材料、模具制造等團隊。然而，如果我們的目標是以更有效率的方式來解決問題，我們該如何判斷哪些有效且正確的建議是可優先選擇的呢?
從過去的經驗，RTI清楚知道修改產品的厚度設計可達到客戶對產品質量的期待與要求。然而，RTI也了解如何準確的對產品設計進行變更是非常困難的，我們至少需先知道應如何回答以下這三個關鍵的問題：
如何說服客戶這是正確的解決方案?
哪里需要變更，如何變更?
不同的設計與成型條件的交互影響是什么? 又該如何控制?
展開 電動汽車電池包線束設計及制造探討|派歌銳
電動汽車以電能為能源，將所需的電能存儲在動力電池系統中。動力電池包是電動汽車的核心部件，為整車提供電能存儲，是新能源汽車的動力源泉。
汽車電池包線束是動力電池系統電路的網絡主題，主要分為動力系統高壓線束和動力系統低壓線束。
一般的電池包低壓線束承載著模組通信、模組采樣和電池管理等功能。電池包低壓線束一般分為模組通信線束、模組采樣線束、BMS線束等。這里結合實際工作中的經歷和遇到的困擾，主要分析和探討SUV純電動汽車電池包低壓線束設計及制造。
根據電池包位置的不同選擇不同類型的汽車線束，汽車線束符合汽車規范，確保在復雜車用環境保持可靠。
由于汽車低壓線束負責采集電壓、溫度信號及傳遞模組信息，傳輸電流很小，所以連接器選型一般遵循與模組最小的接口，連接器小型化。
由于電池包所處的環境，汽車線束阻燃等級要求達到UL94-V0級別。
汽車線束尤其是連接器要滿足線束生產制造和電池包線束裝配時所產生的外來拉力。
派歌銳電池包線束的特點：
可靠性：承受更高的電流和電壓。
耐久性：承受更多的彎曲和振動。
安全性：防止電擊和火災等危險。
環保性：使用ROHS環保材料。
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