提高锂离子电芯化成效率
白皮书
提高锂离子电芯化成吞吐量 - 面向电动汽车电池电芯制造的省时降本方法
电动汽车（EV）电池市场正在以指数级增长，关于超级工厂的报道在新闻中常常见到。汽车行业预计，锂离子电芯的需求将以每年约 33% 的速度增长，到 2030 年有望达到 4,700 GWh（见图 1）。
就在十年之前，“超级工厂”这个词还不存在，但现在超级工厂已成为 EV 生态系统的基石。这些工厂将电池产能从每年 4 至 10 GWh 提高到了每年 40 至 80 GWh。大批量生产带来了成本效益，让 EV 电池价格在过去十年跳水九成。然而，由于原材料、供应链和能源成本纷纷上涨，工厂始终要承受控制电池成本的压力。电芯制造属于能源密集型产业。本文主要探讨如何在电芯化成和质量管理流程中运用突破性技术来节约制造电池电芯的时间和成本。
超级工厂 EV 电池电芯生产关键工序
要想经济高效地生产高质量产品，关键在于把控速度和精度，实现高可靠性和可重复性。图 2 简要描述了用于大批量生产电池电芯的复杂自动化流程。吞吐量是超级工厂中至关重要的制造成本参数。它从数量的角度反映了电芯走完制造流程的速率。就锂离子电芯制造而言，电芯化成和老化这两个工序所耗时间最多。下文探讨了造成瓶颈的原因和缓解时间压力的方法。
电极制造和电芯组装这两个工序的自动化程度非常高，与电芯化成和老化工序相比，其吞吐量相对要高一些。加注了电解液的电芯内部没有任何能量。电芯此时的电压由许多因素决定，主要是构成电芯的材料。电解液注液之后，电芯通常会迅速具备 50至 100 mV 不等的低电压，也可能出现 100 至 200 mV 的负低电压。
预充：电芯定型的第一步电芯完成电解液注液后，务必要迅速进入预充工序。为了让腐蚀停止，预充会将电压非常低（通常为 100 mV至100 mV）的电芯充电到 2 V 左右，在 0% 的充电状态（SoC）下，这个电压既安全、又稳定。接下来，电芯可以进入化成工序，无需担心因为延迟而导致额外的腐蚀。
什么是 OCV 和 SoC？
电池电芯的开路电压（OCV）表示没有电流流动且电极电势相等时正、负极之间的电势差。充电状态（SoC）衡量的是电池在特定时间点的可用能量，以满电状态的百分比表示。
通过预充，电池以 2 V 电压进入化成工序。化成设备可以在非常小的范围内工作——从 2 V 到 100% 充电状态下的最大开路电压（OCV）。根据电芯化学特性，开路电压可能为 3.6 V 到 4.2 V。化成设备的最低工作电压为 2 V，典型电芯测试系统或电源/充电器的工作电压可低至 0 V。电芯测试设备的工作范围越大，其成本通常会越高。因此，EV 电池电芯制造商更倾向于使用范围更小、成本更低、专业更对口的化成设备进行预充。
电芯化成和老化的时间和成本
在电芯整型工艺中，电芯化成是一个费时间却又很关键的步骤。在化成过程中，电流流过电芯，对其进行第一次充电，同时形成固体电解质界面层。一旦固体电解质界面形成，您就得到了一颗能够充电、保留能量和放电的正常电芯。一项已发表的关于当前和未来锂离子电池制造的研究1 表明，电芯化成和老化的工艺成本最高，几乎占到了总制造工艺成本的三分之一（见表 1 和图 3）。
大部分的老化时间用到了确定电芯的自放电特性是否处于可接受范围这个过程。由于自放电的缘故，观察电芯OCV 的变化需要花一点时间。通过缩短电芯老化工序的时间，超级工厂可以将节省的成本直接转化为利润。稍后我们会对此做详细讨论，在这里我们要更深入地谈一谈电芯化成。
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