蔡司新能源汽车电池质量保证白皮书 2023 -探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘

seeingbeyond蔡司携手NE时代联合发布纤毫毕现追根溯源蔡司新能源汽车电池质量保证白皮书蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书中国新能源乘用车市场迎来快速增长电动化正在重塑中国汽车工业。自中国汽车工业开始发展以来，在电动化和智能化的浪潮推动下，汽车行业从未面临着如此巨大的变革。我们的研究显示，尽管早期市场的发展多由政策推动，但在三电技术提升、智能网联配置的加持下，新能源汽车产品的性价比得到了极大的提升。"续航里程+补能体验"的双发展，更是为其增长插上了双翼。与此同时，消费者对新能源汽车的接受度也在发生转变。在上述诸多因素的促进下，可以看见，自2020年以来，中国新能源乘用车的发展取得了长足进步，正逐渐进入到"政策+市场"的双轮驱动发展模式中。2021年，中国新能源乘用车实现了近300万台的销量。2022年销售523.3万辆，同比增长高达80.8%。新能源汽车渗透率从2020年的6.2%，2021年的15.7%，-路提升至26%，提前完成了2025年20%的目标市场正进入高速发展期。4479446324263439246445313533501539479446324263439246445313533501539蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书图1:中国新能源乘用车市场分月销量(单位：千台) NEV(2021)NEV(2022)BEV(2021) BEV(2022) PHEV(2021)PHEV(2022)800700500400300200705JanFebMarAprMayJunJulAugsepoctNovDec数据来源：NE数据库(NEV=BEV+PHEV)图2:中国新能源乘用车市场累计销量(单位：千台)8,0007,0005,0004,0003,0002,000NEVBEVPHEV5,23322,893119202020212022数据来源NE数据库蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书99蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书基于我们长期关注的主流车企在华的布局、电动化供应链的发展和整车市场趋势，我们尝试着对中国新能源乘用车的未来产量规模做了如下的研判。预计到2025年，中国新能源乘用车的年产量将突破千万台，并持续保持增长态势，至2026年，新能源乘用车的渗透率将超过50%，占据主流市场图4中国新能源乘用车市场规模预测(单位：千台)NEV产量渗透率同比增速106.9%54.4%5754.4%50.8%46.7%41.0%34.0%26.7%14.2%5.9%305.9%4.2%4.3%24.2%4.3%2.3%1.4%13.4%8.2%2.7%42.7%2,8933115229208621,1195,98779241429697842016201720182019202020212022E2023E2024E2025E2026E2027E2028E数据来源:NE时代预测数据蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书受益于整车市场的增长，动力电池市场快速扩张伴随着新能源汽车行业的发展，动力电池行业也经历了一场急促却又彻底的变革。受益于整车市场的飞速增长，动力电池市场也一样呈现出高速增长的态势。2021年，中国新能源乘用车动力电池搭载量高达123.2GWh，远超2020年，同比增速169.6%。2022年，每个月都延续了之前的态势，同比大幅度增长，总出货量达230Gwh。中国动力电池市场，正迎来前所未有的繁荣景象。蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书8■年度销量 73230.80123.2245.7033.0542.1445.7033.05■月度销量31.88126.0%126.0%70.9%24.2521.2619.4013.2210.9310.04154.6%150.0%51.0%46.5%145.1%133.6%118.2%78.7%61.2%62.0%23.5424.1613.5619.7818.79JanFebMarAprMayJunJUAugsepoctNOVDec数据来源：NE数据库蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书如果中国新能源乘用车市场在未来5年的发展如上所述，动力电池的市场需求无疑将水涨船高。预计到2025年，中国新能源乘用车动力电池市场将突破400Gwh，2027年将突破600Gwh。BEVPHEV总量同比增速31%22%22%2%18%2022E2023E2024E2025E2026E2027E注：我们对动力电池市场规模的测算，基于整车预测，结合不同级别车型的份额假设以及该级别车型的平均搭载电量假设，最终计算得出。如此庞大的市场规模，势必吸引诸多玩家进入。但不管是在位企业还是新进玩家，都面临着多重压力，盈利承压。首先，在市场需求不断扩大的背景下，锂离子电池的关键原料碳酸锂2022年经历了3月到8月份的价格高位盘整之后，9月又重拾上升势头，价格累计涨幅已超过80%，给动力电池厂商和新能源车企都带来了巨大的成本压力。进入2023年，碳酸铝价格开始回落，令诸多车企压力有所缓解。其次，车企也有自己的考虑。一方面为掌握核心能力，考虑自制电池。9蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书厂商。二三梯队电池企业，抓住这个机会，纷纷推出主流产品，并通过作为"二供"绑定大客户，抢夺市场份额。这都给头部电池企业带来了不小的压力。反过来，头部电池企业也在"挖壕沟，垒城墙"，全面扩产，打磨产品，提升服务，绑定客户，紧守份额。此外，外资电池厂商开始重回中国市场，立足本地化提供更好的服务。二三梯队电池厂只能跟进，加大投入，这无疑也带来了成本的全面提升。另外，不断上演的新能源汽车自燃事件，多数指向动力电池安全。社会舆论和行业标准的推出，倒逼动力电池厂商加大在安全性能上的投入，来确保NP(无热失控扩散)的达成。以上等等，不难看出，动力电池行业的竞争愈加激烈，由此引发各玩家的打法全面升级，行业"内卷"不断加深。宁德时代弗迪电池TOP3~10其他CR2CR1088.68%90.42%91.22%91.96%94.71%67.51%67.51%62.03%58.77%71.57%70.11%数据来源：NE数据库分钟分钟分钟分钟分钟分钟蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书激烈竞争下，电池企业的质量控制能力成为胜出的关键要素新能源乘用车动力电池的主要技术趋势在新能源汽车的成本、安全、性能、续航里程和生命周期等诸多要素中，动力电池都起着举足轻重的作用。从节能与新能源汽车技术路线2.0中不难看出，动力电池聚焦在"性能"和"成本"这两大关键指标上。另一方面，基于电化学技术的动力电池，已经成为影响新能源汽车"安全"的首要因素。能量型能量型电池能量动能量动力兼顾型电池功率型功率型电池寿命>3000次/12年成本<0.35元/wh寿命>6000次/8年成本<0.45元/wh寿命>1500次/12年成本<0.50元/wh寿命>5000次/12年成本<0.60元/wh寿命>3000次/10年成本<0.70元/wh充电时间<15成本<1.20元/wh寿命>3000次/12年成本<0.32元/wh寿命>6000次/8年成本<0.40元/wh寿命>1500次/12年成本<0.45元/wh寿命>5000次/12年成本<0.55元/wh寿命>3000次/10年成本<0.65元/wh充电时间<12成本<1.00元/wh寿命>3000次/12年成本<0.30元寿命>6000次/8年成本<0.35元/wh寿命>1500次/12年成本<0.40元寿命>5000次/12年成本<0.50元寿命>3000次/10年成本<0.60元/wh充电时间<10成本<0.80元wh蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书材料体系方向1：更高能量密度方向2：更低成本方向3：下一代技术流企业的优选方案之一电芯形状方形电池圆柱电池规划软包电池待进一步验证快充技术多家。EM开始导入800V高电压平台，并推出2C~4C快充方案换电模式成组技术发展方向典型方案CTP/CTC逐步成为主流，出现众多方案材料体系方向1：更高能量密度方向2：更低成本方向3：下一代技术流企业的优选方案之一电芯形状方形电池圆柱电池规划软包电池待进一步验证快充技术多家。EM开始导入800V高电压平台，并推出2C~4C快充方案换电模式成组技术发展方向典型方案CTP/CTC逐步成为主流，出现众多方案BYDCTBCAtL麒麟电池、MTB，零跑MTC，特斯拉大圆柱CTC等图9动力电池的技术趋势动力电池产品的高安全性、高能量密度、高倍率性能、经久耐用和更低成本，是决定其是否能取得市场成功的关键因素。竞争打法的全面升级，意味着在"性能"、"安全性"、"成本"这3个方面的全面升级电池企业都想在这些关键因素上表现优异，这就需要超过同行的质量控制手段。首先，要在研发环节，充分了解和控制电池相关材料的特性，选择良好的材料。然后，还要从电芯到电池包的各生产环节，选择精准的生产技术，并在每一步的质量控制上都做到更好。前者，需要的是对微观结构的清晰掌握；后者，则要及时发现可能的污染和瑕疵，并在电池包组装的时候全程满足严格的公差范围。蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书13350300250200150500350300250200150500动力电池需要"高性能"当前，新能源汽车用户依然面临着里程焦虑、充电焦虑等问题，这些又与电池性能息息相关。换言之，动力电池性能对新能源车的使用体验起着至关重要的作用。表征动力电池性能的关键指标有三，能量密度、倍率性能和循环寿命。新能源汽车补贴政策自2017年开始对动力电池能量密度提出了要求，2017~2019年电池系统能量密度由90wh/kg逐年提升至160wh/kg。早期，政策驱动对电池能量密度的提升发挥了重要作用。kgkg3003003003002501503902013201420152016201720182019202020212022808080注：电池能量密度按已被补贴的数值计算，不计入按其他倍率补贴的数值数据来源：工信部，财政部蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书随着补贴退坡以及政策对能量密度的要求保持稳定，目前企业提升电池能量密度的动力，主要来自于市场对续航里程的要求及消费者认知的提升。同款车型在电池重量及体积一定的情况下，更高的能量密度意味着更长的续航里程，也意味着更少的里程焦虑，可提高新能源汽车在市场上的竞争力800400200Model3▲蔚来ET5Modely▲Aions小蚂蚁五菱宏光mini小蚂蚁50来源：NE数据库100150200250系统能量密度(hkg)提高电池系统能量密度的方式包括:(1)提高单体能量密度，如采用新型材料体系(高镍正极、硅基负极、锂金属负极、固态电解质等)(2)电池结构创新，减少零部件的使用，如CTP、CTC等。例如宁德时代第三代CTP技术可实现电池系统能量密度255wh/kg。14蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书来源：来源：《锂离子电池纳米硅碳负极材料研究进展》来源：宁德时代另一方面，为解决充电焦虑问题，行业在加快快充基础设施的建设。但即使是支持2c充电的新能源汽车，也需要30min才能将电量从30%充至80%，远低于燃油车的补能速度，从而造成用户的充电焦虑。因此，行业需要支持更高倍率的动力电池。这就需要电池厂商在加强电池热管理的同时，还要从电池材料(尤其是负极材料的选择和微观15蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书结构的设计)、电极设计、电池形状等出发，降低内阻、加强散热，提高电池的倍率性能。目前已有多个企业推出快充电池方案。欣旺达2022年9月推出SFC480电池，最大支持480KW功率充电，可以实现5分钟续航200公里，10分钟续航400公里。宁德时代发布麒麟电池，支持10分钟10%-80%快充，具备4C快充能力。广汽埃安发布AIONVplus70极速快充版，配套巨湾技研开发的6C充电倍率的三元XFC极速电池，实现8分钟充电。-80%SOC，5分钟充电30%-80%SOC的极速快充。孚能、蜂巢等也都推出了自己的快充电池产品。此外，动力电池的寿命(包括循环寿命和日历寿命)也是其性能的重要评判标准。根据2015年发布的《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》，在标准规定的测试条件下，动力电池循环次数达到500次时，放电容量应不低于初始容量的90%，或者循环次数达到1000次时，放电容量应不低于初始容量的80%。各车企对新能源汽车和动力电池的寿命做出了相应的质保承诺。图14:部分车企新能源汽车质保政策比亚迪"三电"(动力电池、驱动电机和电控系统)系统终身保修蔚来首任车主自动享有10年免费质保(不限里程)权益小鹏G9/P7动力电池质保期为96个月或160,000公里P5/G3动力电池质保期为96个月或150,000公里理想整车质保5年或10万公里，三电系统8年或16万公里质保广汽埃安AionLxplus终身免费三电/整车质保零跑动力电池质保期为8年或12万公里五菱宏光MiniEV三电质保8年或12万公里哪吒整车最高4年/12万公里，三电系统终身免费质保来源：各公司官网蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书尽管动力电池的寿命受使用环境和使用习惯的影响很大，但就电池本身来说，单体一致性的影响亦不容小觑。目前，整车续航所需电量和电压主要是通过电芯单体串并联获得。不同单体之间的参数(电压、荷电量、容量及其衰退率、内阻及其变化率、寿命、温度影响、自放电率等)需要尽量保持一致，才能充分发挥整个电池包的能量、提升电池寿命、保证电池安全。但由于生产过程中的微小差异，电芯的参数总会存在差异，从而导致单体电芯的电压和容量等随充放电循环而发生变化，难以保持一致。为了缓解该问题，在电芯制造完毕后，可以通过分容来选择参数一致的电芯成组；使用过程中，可以通过电池管理系统(BMS)进行均衡。但更重要的，是在生产过程中需要尽量保证工艺的一致性，这要求企业做好质量控制，包括：来料检测、浆料的流变性检测、涂布参数监控、浆料黏度检测、极片外观检查、极片称重、注液前后电池质量差比较、化成温度控制等等。为了保证电池性能，从研发阶段，到电池生产下线，需要多种检测手段来进行验证。如通过光学/电子显微镜来观测电池材料微观结构、检测材料在搅浆和辊压过程中可能的损坏、以及检查是否存在金属异物和毛刺等，通过CT/X射线显微镜进行电池无损检测、极片厚度测量、循环老化后的缺陷检测等。电池企业在基础研发和质量控制中精益求精，才能制造出更高性能的电池产品，进而实现技术领先、构建自身壁垒。宁德时代就提出了"极限制造"的理念，设备对产品尺寸的精准控制从微米级到千米级，全生产流程设置了超过6800个质量控制点，每个电池平均追溯数据超过1万项，每颗电芯下仓前都会经过100+的检测工序。蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书动力电池需要"高安全随着保有量提升，新能源汽车火灾频发，并呈现逐年增长的趋势。据国家应急管理部发布的数据，2022年一季度全国新能源汽车发生火灾事故640起，同比增长32%。2021年全国共报告有3000余起电动汽车起火事故，数量较此前三年大幅增加。参考中国科技大学孙金华教授在2022年世界动力电池大会论坛的演讲报告来看，2021年的事故统计中35%在充电状态，40%在行驶状态，25%在静止状态。对比2019年清华大学电池安全实验室主任冯旭宁发布《2019年动力电池安全性研究报告》相关分析数据，可以看到行驶状态及充电状态下发生的火灾事故占比维持上升趋势。数据来源：国家应急管理部消防救援局统计数据，清华大学冯旭宁《2019年动力电池安全性研究报告》，中国科技大学孙金华教授《2021年动力电池安全研究进展》蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书2021年，中汽协与汽车之家联合发布《2020年新能源汽车消费者满意度调研报告》，指出，安全性和与安全性紧密相关的电池技术性能，是消费者对新能源汽车最为关注的指标，尤其在纯电动车型上的关注度更高。提升电池安全性成为解决消费者痛点的核心关键。图16:部分车企新能源汽车质保政策安全性1.55148电池技术性能1.461.43配置1.221.26舒适性1.22驾驶操控性1.21.22外观内饰0.890.9数据来源：《2020年新能源汽车消费者满意度调研报告》此外，据国家市场监督管理总局报告，2021年新能源汽车召回了59次，共涉及车辆83万辆，占全年召回总数量的9.5%；从缺陷线索看有关新能源汽车缺陷线索报告共计3033例，电池、电机、电控等问题占了一半。电池质量，成为消费者集中投诉点，而其中，电池起火是引发消费者担忧的重要原因之一。提升电池安全及产品质量日益成为车企和电池企业需要高度重视的蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书20GB/T31485GB38031-2020cellsModulecellspack电测试3334热测试2222机械测试3314其他滥用测试2205报警信号触发失控:针刺触发、加热触发GB/T31485GB38031-2020cellsModulecellspack电测试3334热测试2222机械测试3314其他滥用测试2205报警信号触发失控:针刺触发、加热触发2020年以来，电动汽车安全相关标准大量正式发布并要求强制实施。工信部组织制定了GB18384-2020《电动汽车安全要求》、GB38032-2020《电动客车安全要求》和GB38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项强制性国家标准，并于2021年1月1日起开始实施。其中，《电动汽车用动力蓄电池安全要求》增加了电池系统热扩散测试项目，要求电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。图17:动力电池安全标准的变化点动力电池安全标准的变化点(提出了"最短5min逃生时间"的要求，对BMS产品影响较大)测试项目数GB/T3148(旧)GB38031-15celModulepack热扩散测试项目(新增测试准备:失控标准:失控危险:明火、有毒烟气触电soc90%压降超过25%温度达到最高工作温失控危险:明火、有毒烟气触电/////热失控并扩散未扩散未扩散检测失控:温度、温升速率、逃生时间>5m电压下降、电流来源：NE研究院根据公开信息整理系统热蔓延测试与建模Testandmodelingonpackleve单体热失控测试与建模Testingandmodelingoncelllevel热失控蔓延抑制技术TRpropagationinterrupttechnology系统热蔓延测试与建模Testandmodelingonpackleve单体热失控测试与建模Testingandmodelingoncelllevel热失控蔓延抑制技术TRpropagationinterrupttechnology蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书同时，工信部等五部门于2022年4月8日发布《关于进一步加强新高动力电池的安全防护能力。意见表示，动力电池是新能源汽车的核心部件，提高动力电池安全是核心要素。车企要从整车设计需求出发，向动力电池企业提出明确的技术要求，包括在设计阶段、在车辆匹配方面、热管理策略方面、异常状态的监测以及测试与验证等方面要开展深入合作。另一方面，整车企业和动力电池企业要共同严格把控产品一致性，确保批量化产品达到安全设计目标。电池企业需要严格管控生产质量，包括建立完备的生产信息化管理系统，合理设置安全质量监控节点，积极提高在线检测能力。产品下线按要求开展涉水抽检、路试抽检，重点开展整车绝缘、充放电、淋雨等测试新能源汽车电池安全事故的本质是电池热失控，涉及诱因、发生和蔓延三个过程。诱因包括电化学诱因(过充、快充、电池老化、不当充电等)和机械电气诱因(多种原因导致的内短路，碰撞挤压、针刺等)。热失控反应机制分析AnalysisofReactionduringTR电因素Electricalstress热因素ThermaIstress来源:NE研究院整理分析21蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书设计与制造缺陷故障与失效结构件材质无阻燃功能，起火后无法阻止火势蔓延故障与失效设计与制造缺陷故障与失效结构件材质无阻燃功能，起火后无法阻止火势蔓延故障与失效从电池热失控的诱因、发生和蔓延三个过程出发，进一步分析导致热失控发生的情形，主要有：设计与制造缺陷、故障与失效、使用不当、外界因素等四类，涉及到电芯、BMS、热管理、模组和pack等多个层面、多个维度图19:动力电池热失控诱因分析 工热失控诱因·2热失控发生，工热失控董延热辐射传递给相邻电芯相继发生热失控可能导致电芯内或其他部位起火上、下盖箱体结构强度不足，上、下盖箱体结构强度不足，导致变形、破损上、下盖箱体耐高温性不足，防火烧功能失效设计与制造缺陷故障与失效使用不当外界因素来源：NE研究院整理分析22蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书低温充电边缘错位Edgedislocation挤破隔膜separatorbreak快速充电FastchargeCu、zn、crsuperLargepore孔堵塞Blockedpore低温充电边缘错位Edgedislocation挤破隔膜separatorbreak快速充电FastchargeCu、zn、crsuperLargepore孔堵塞Blockedpore其中，电芯本征层面的"局部过热、负极析锂、异物颗粒、隔膜瑕疵、设计/制造缺陷、极片变形"等六大因素，都有可能造成电池的自安全失效，从而引发热失控。图20:电芯自安全失效的诱因边缘隔膜缺失Edgedefect贴胶不当Gluingfault毛刺Burr正负极配比N/pmismatch来源:NE研究院整理分析要解决这些问题，提升电池安全性，目前企业主要通过在电芯设计与制造端加强改善来进行预防与控制。具体包括：不断优化结构设计以及材料选择，不断加强生产过程中的质量与安全管控，严格控制制造工艺，在生产过程中对电池原材料杂质检验、车间粉尘控制、分切模切时的毛刺检测等生产工艺进行严格要求通过这些综合手段，来不断提升电池安全性能。23蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书材料成本生产成本材料成本生产成本动力电池需要"低成本在下游市场的快速带动下，动力电池的竞争逐渐白热化。无论是头部厂商，还是第二、三梯队厂商，都面临着上游材料涨价和下游车企议价降本的压力。此时，成本水平，成为电池厂商获取(或守住)市场份额的核心竞争力之一。但又是哪些因素，对成本影响巨大呢？图21:动力电池的成本构成简析生产成本u材料成本阴极阳极隔离膜电解液集流体其他人工能源一2%一设备报废5%5%数据来源：NE时代整理分析电池品类多，难以对成本一窥全貌，但仍可通过每Gwh的材料投入与生产费用估算。以方形电芯为例，生产成本约占20%，在厂房、人工、能源等开支基本持平的情况下，关键设备能力和报废率——即电池厂家重点考察的优率(成品的BOM成本与实际总成本的比值)将体现各家功底。24蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书优率，对动力电池成本有着近乎决定性的作用。而决定优率的，则是更精准的生产技术和更高的质量控制能力。好消息是，随着电池厂商不断复制产线和积累工艺know-how，带来了优率的提升。得益于企业内部的严格质量管控，目前电池生产的出厂水平已达到1PPM，在保持一定盈利的条件下不断提高质量标准、优化质量体系，由此得出的总优率保持在90~95%的区间。但对于有近50道细分工序的动力电池产线来说，来料、设备、工艺等各环节的百万分之一失效率的叠加，都会让优率无法趋于完美。在未来Twh量级的市场中，任何一点百分比都将被放大，继而影响消费者和客户对于企业的信任。难以达到99%的优率，成为屹立在电池企业面前的难关。图22电池生产环节中的关键工序成本优率99%99%95%─ 0.7/ah来源：NE时代整理分析25蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书由降本驱动的对关键工序新工艺的大胆尝试和加大质量管控体系，必不可少在前端制程工序中，"好钢用在刀刃上"的做法是加大设备的过程能力。但随着电池工艺复杂程度进一步提高，当设备的过程能力CPK达到3~5的高水平后，脱胎于传统汽车工业的电池外观检测显现了一定的缺乏和不足，受到了最大的挑战。分验证前端制程设备的可靠性和质量管控体系的合理性。锂离子电池不能仅靠对最终产品的鉴定和测试来保证。在目前的电池质量检测措施中，已经逐步将离线检测变为在线检测，在以往的首件流程基础上，在线检测提供了丰富的不合格件追溯和现场还原的证据支持现在，此趋势将进一步推进至细分工艺流程和新工艺的初期设计中达到全生产环节的可控、可追溯。在大规模产线上，如果采用人工检测等传统方式来执行毫米级的缺陷检测，不仅速度慢、耗时巨大，精细和准确度更是无从谈起。即便引入基于工业相机的计算机图像辅助检测等自动化方法，"多但不精"的在线监测点并不能满足目前的关键需求。在电池高速化生产的背景下，检测工序的挑战仍然存在：较难对装配体内部进行探测、较难对电芯无损检测、较难在高速生产下完成数据记录与上传，全流程检测尚未完全闭环管理等。总的来说，理想的、全新的动力电池缺陷检测方案虽呼之欲出，但仍26蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书29电池材料的二维显微成像和表征光学显微镜在锂电池检测中的应用光学显微镜利用光学原理对物体进行放大，最早成型于17世纪。光学显微镜的分辨率与可见光的波长(390~780nm)有关，其最大放大倍数可达1000多倍，实现微米级别分辨率，在生命科学、材料科学等领域被广泛应用。在动力电池研发中，光学显微镜可用来观察电极结构，检测电极缺陷并分析电池失效原理、观察锂枝晶的生长行为等，进而为材料、工艺的改进提供依据。应用光学显微镜进行电池电极结构的观测，一般是先通过低倍显微镜观察整体形貌和缺陷，然后用高倍显微镜进一步确认电极截面的缺陷，比如裂纹、断裂、沾污、变形等异常。常用的显微镜观测方式有明场，暗场，干涉照明，偏振光，等。图24光学显微镜电极截面失效分析图片来源:蔡司(使用蔡司光学显微镜测试)蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书锂离子电池在低温条件和大倍率应用时容易产生锂枝晶，锂枝晶不断生长可能刺穿隔膜造成短路，进而威胁电池安全。现有锂枝晶的表面检测，一般是在手套箱中将电池拆解，取出负极极片，视觉观察有锂枝晶生成的区域，然后剪裁对应负极片，经清洗、干燥后取出，在高倍率显微镜或SEM等测试设备下检测。另一种目前正在实施的检测手法，是与光学显微镜联动，制成密封的在线测试电池设备，在过程中实时监测锂枝晶的生长行为。扫描电镜在锂电池检测中的应用不过，由于受制于可见光的波长，光学显微镜的放大倍数有限，无法实现对更微观结构的观测，而电子显微镜则很好的解决了这个问题。电子显微镜最早由英国物理学家卢卡斯于1931年发明，利用电子束代替光束，最大放大倍数可达300万倍，实现纳米级别分辨率。由于电子显微镜具备更高的分辨率，在电池研发中，搭配不同的探头，30蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书可以得到多维度的信息(成分、表征信息，粒度尺寸，配料占比等)实现对正负极材料、导电剂、粘结剂及隔膜等更微观结构的检测(观察材料的形貌、分布状态、粒径大小、存在的缺陷等)。常用的观察样品表面形貌的电子显微镜是扫描电子显微镜(SEM)。此外，SEM还可应用于观察样品的割裂面结构、管腔内表面的结构等可直观反应材料的粒径尺寸、特殊结构及分布情况等。图片来源:蔡司31蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书由于具备高分辨率，SEM能清楚地反映和记录材料的表面形貌特征因此成为表征材料形貌最为便捷的手段之一。粉末、块状、片状的电极材料均可用SEM进行直接观察(测试前除保持干燥外，不需要特殊处理)，获得不同放大倍数的图像。图片来源:蔡司(使用蔡司电子显微镜测试)利用氩离子抛光技术(又称CP截面抛光技术)，可以获得平整精密的抛光截面和平面样品。SEM配合CP技术，可以完成对样品内部结构微观特征的观察和分析。这也是目前最有效的制备锂电池材料极片解剖截面的制样方式。通过极片的截面分析获得的电池极片界面图像可以帮助研究人员观察锂电池极片详尽的内部结构，测量极片孔隙度，研究辊压参数是否适当，观察活性成分、导电剂、粘结剂的分布等，还可以依据孔隙度判断锂电池材料的吸液性，进而判断锂电池材料的循环寿命。32蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书图28CP截面抛光技术应用(A)电池负极的横截面扫描电镜图像：上层石墨是CP离子研磨得到的，铜箔和下层石墨未研磨(B)未进行离子研磨的电池负极断裂区与(C)CP离子研磨后电池负极断裂区表面比较图片来源:蔡司(使用蔡司电子显微镜测试)33蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书材料的孔隙率、粒径等对电池性能有着重要影响。电极孔隙率越大电解液浸润越充分，离子电导率越高，可提高电池的倍率性能，但是高孔隙率也会影响电池能量密度。传统的孔隙率测定方法包括理论估算、压汞法、电解液吸液量计算等。常用的粒径测量设备是激光粒度仪。采用计算机视觉对获取的SEM图像进行分析和处理，是近年来一个新的研究方向。这种方法可以用来测量材料的孔隙率、粒径分布等信息。图像处理软件可以对设定区域进行自动图像采集与识别，并对颗粒粒径、宽高比、圆度等进行自动测量，并以报告的形式输出柱状分布图等直观的结果。目前，最新版本的图像处理软件模块已经具备了机器学习的功能。在自动分析以前先手动处理图像，训练一个模型，之后可以让软件来执行繁琐的图像分割流程，从而提高效率。图片来源:蔡司34蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书随电池充放电循环，电池内部结构发生变化，导致性能下降。目前人们普遍认为NCM或NCA等层状过渡金属氧化物正极材料的电池失效机理为：正极多晶颗粒内部存在大量晶界，在电池充放电过程中由于各向异性的晶格变化，多晶颗粒容易出现晶界开裂。二次颗粒中形成的微裂缝导致阻抗增加、活性材料减少；同时，电解液渗透进入裂缝中发生反应，最终导致电池容量衰减。因此，颗粒碎裂表征成为学者改善正极材料性能的切入点。SEM可以用来观测电池颗粒循环老化的情况。下图为SEM拍摄的NCM111与NCM622电极的裂纹情况，可见裂纹源于颗粒的核心区域。电池颗粒的晶间裂纹最终引起锂离子路径的延长甚至失效，导致电池容量衰减。图片来源:蔡司(使用蔡司电子显微镜测试)35蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书此外，由于大部分的电池材料不能直接暴露在空气中，部分电镜厂家还为电镜配备了真空/惰性气体转移解决方案，可实现将电池直接从手套箱转移到惰性气体或真空腔室中，减少空气暴露造成的影响，保护材料结构，使表征结果更为准确。图片来源:蔡司(使用蔡司电子显微镜测试)动力电池市场的蓬勃发展，推进电镜应用于诸多研发环节的同时，对其能力的要求也在逐步提升，包括：低电压成像能力；加速电压范围可调节；束流稳定性；无漏磁镜筒以适合任何形式的磁性样品;拓展能力等等，以满足动力电池发展的要求。检测设备企业也正在向这些方向努力。36蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书电池检测：从2D走向3D传统的检测手段通常局限在2D平面，但2D图像会有局部偏差(比如制备样品时刚好切到没有问题的部位)，3D图像可以更好的表征材料结构，使检测结果更为直观，有助于加深研发人员的认识和理解,提高研发效率的同时更好的改善电池性能。1895年，伦琴发现了X射线，并用来拍摄了世界上第一张X光照片，由于X射线的穿透作用，可以帮助人们观察物质内部结构，因此被广泛应用于医学诊断、工业探伤、公共安全检测等领域。来源：公开资料来源：公开资料37蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书在检测电池内部结构时，传统方式下，研发人员会将循环后的电池进行拆解，但电池拆解会破坏样品结构，影响检测结果的准确性，造成误判；而且拆解后的电池无法继续进行充放电循环，需要采用多个电池样品进行对比分析，降低效率的同时检测结果也不够直观。针对以上问题，在不对电池进行拆解的情况下，通过X射线显微镜可以对电池内部特定区域进行高分辨率成像，实现样品的3D无损成像，分辨电极颗粒与孔隙、隔膜与空气等，可以大大简化流程，节省时间高分辨率显微CT可以实现电池内部结构的三维可视化，解决因拆卸等原因造成的内部结构二次损伤等难题，清晰地展示出电池内部的真实情况。在此，X射线显微镜技术得到应用。图片来源:蔡司(使用蔡司XradiaVersa系列X射线显微镜测试)通过对测试样品进行内部结构的全面扫描，根据内部结构的密度差异形成对比度不同的断层图像，从而准确掌握样品内部的孔隙、夹杂、裂纹以及材料微观结构的三维空间的数量、体积分数、分布等信息，有利于分析材料的缺陷信息与力学性能的关系，辨别缺陷在材料失效中的作用，进而帮助进行失效机理的研究以优化和改善材料的制备工当前，CT成像的精度进入亚微米阶段，可以对电池材料及孔隙进行分析检测。38蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书图片来源:蔡司(使用蔡司XradiaUltra系列X射线显微镜测试)电池的充放电循环过程中，体积会多次膨胀收缩，内部会发生多种变化。研究表明，随着循环的进行，样品内部结构出现了显著的形变,而电极内部的大幅度形变会导致电池正负极分离，有效电化学反应面积减小，容量衰减，并产生内短路隐患，严重的造成电池安全问题。通过X射线显微镜，可以观察电池内部形变情况并进行定量测量。例如,对充放电前后的电极厚度进行测量，通过对比可以计算电池电极的膨胀率，从而获知电池电极循环老化充放电过程中的内部变化情况，为电池的循环老化研究提供依据，进而在材料、工艺等层面缓解电池内部形变。图片来源:蔡司(使用蔡司XradiaVersa系列X射线显微镜测试)39蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书在动力电池内部电极是否发生褶皱可以表征电池内部结构的整体规整水平，这与电池的出厂程度和使用程度相关。褶皱产生的电池内部空隙会影响电池的容量和内阻，进而影响其产热情况，增加电池模块或系统中单体的一致性差异。循环老化后的电池电极结构有可能发生断裂电极的断裂一般会出现在电池内部电极的弯折点，例如圆柱电池卷绕电芯的内侧，软包和方壳电池卷绕和堆叠电极的内侧。电极断裂会使断裂点附近的微观结构电连接程度异于其他区域，在充放电过程中会导致电流密度分布不均，造成微量的产热不均和容量损失。由于电极在循环过程中会产生形变，电极的断裂程度也有可能由于电极整体形变而扩大。通过X射线无损检测对电池内部结构缺陷进行检测具有重要意义，可及时发现缺陷，帮助改进材料与工艺参数，提高电池性能，防止安全事故的发生。40蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书在X射线显微镜的基础上，蔡司推出了可以实现随时间(4D)变化的微观结构演化表征方法。利用空间分辨率可达50nm、体素尺寸低至16nm的真正的纳米级三维x射线成像，可以获得更多信息，识别更微小的细节特征。用三维和四维的原位实验，可以研究微观结构的演变，更清晰的展示电池老化过程。图像质量方面，可实现具有同步辐射效果的纳米级X射线成像。图37电极颗粒的老化情况观测图片来源:蔡司(使用蔡司XradiaUltra系列X射线显微镜测试)高通量电池颗粒截面加工、观测与分析。目前，X射线显微镜可达到最高50nm级别的分辨率，当需要研究更高分辨率的细节时，则需要用到新一代聚焦离子束(FIB)技术。FIB利用高强度聚焦离子束(通常为镓离子)对材料进行纳米加工，配合扫描电镜(SEM)，可同时实现对样品的加工和观察。目前，蔡司和赛默飞都推出了聚焦离子束显微镜。41蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书42蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书43图片来源:蔡司,NE时代整理蔡司双束电镜crossbeam系列结合了高分辨率场发射扫描电镜(FE-SEM)的出色成像和分析性能和FIB的优异加工能力，无论是用于多用户实验平台还是科研或工业实验室，利用crossbeam系列模块化的平台设计理念，都可基于自身需求随时升级仪器系统(例如使用Laser+FIB进行大规模材料加工)。在加工、成像或是实现三维重构分析时，crossbeam系列将大大提升FIB的应用效率。当需要分析各种成分的分布，需要模拟仿真，需要看到内部结构时，FIB可以依托低电压成像，能扫描更多3D细节，可以做多种测试，令研发工作成效更高。图片来源:蔡司蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书电池的原位测试和多技术关联应用无论是光学显微镜，电子显微镜，还是X射线显微镜，不同的测试手段各具优势，适用于不同的场景。但在电池研发环节中，一种检测手段常常无法完全表征材料属性。此时，将不同的测试设备协同应用，实现多手段的关联，则可以在测试中得到多维度的信息，使结果更为直观。早期，多手段关联的出发点，是以不同分辨率来观察被测对象的需求。例如，CT和X射线显微镜可以无损探测，但分辨率相对较低，因此，初看材料时，就可以利用二者先观看形貌特征。扫描电镜具有更高分辨率，例如蔡司以扫描电镜为基础，推出FIB-SEM产品，可以实现高分辨率(3nm)的3D成像。如此，利用CT→X射线显微镜→FIB-SEM，选定区域并逐级放大，就可以得到更为全面和精确的信息，同时可以实现快速定位，使检测更为高效。图41:正极材料的多尺度关联分析图片来源:蔡司(使用蔡司XradiaVersa、Ultra、FIB.SEM系列产品多尺度关联测试)44蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书电子显微镜上设有多个拓展口，来添加不同的探头。但在电池研发中，配备的SE、BSE和EDX探测器，不足以完全表征材料的属性。尤其在样品尺寸大的情况下，不容易聚焦到同一特定颗粒。拉曼探头则可以帮助分析分子结构与组成，界面结构等。但一般情况下，拉曼与电子显微镜是独立分开的。因此，如果能对同一被测对象使用BSE、EDS和拉曼，拍摄三重图像的重叠信息，就能实现原位多角度分析显微镜厂商在做如上努力。如德国WITec、捷克Tescan、蔡司等推出了RISE系统，可以实现拉曼成像与SEM等技术的联合应用，通过电池表面形貌(SEM)、元素分布(EDS)与电极材料分子组成信息(Raman图谱)结合，实现材料的原位多角度分析，了解电池状态以及不同位置材料的形貌、元素和分子组成，进而评价电池性能。来源：来源：MicroscopyandMicroanalysis,2020，26(s2),1．Macromolecularsymposia,2019,384(1).(通过蔡司RISE系统实现拉曼和SEM的关联应用)45蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书材料测试通常伴随制样过程，由于FIB-SEM需要对同一个样品进行多次制样测试来构建3D图像，采用常规制样方法需要消耗很长时间。为解决这个问题，蔡司提出了一组非常巧妙的联合方案。首先，可以用versa大视野范围、无损情况下得到3D成像，发现可疑位置然后，为了对可疑位置进行更深入的分析，需要剖切到指定位置。使用FS-laser飞秒激光可以实现样品高速率切割(107μm3/sec)，进行快速粗制样，迅速完成样品深处的分析，同时不影响FIB-SEM的高性能和高分辨率最后，再用FIB精细抛光，并拍照分析。通过versa、FIB-SEM和fs-laser的联合应用，实现对检测对象的快速定位和制样，使检测更为简单快捷，帮助研发人员提高工作效率。步骤步骤1：通过飞秒激光在样品上标记参考标尺46蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书步骤2：在versa中以无损方式找到标记步骤3：重新定位标记位置，并用飞秒激光切割步骤4：通过离子束进行精细抛光图片来源:蔡司47蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书各组分体积分数导电剂分布粘结剂分布极片孔隙率孔隙迂曲度电极界面涂布厚度极片粘结力极片含水量辊压厚度压实密度极片脆性膜片电阻极片尺寸理论容量DV10-50振实密度石墨化度比表面积BET膈膜厚度隔膜孔径各组分体积分数导电剂分布粘结剂分布极片孔隙率孔隙迂曲度电极界面涂布厚度极片粘结力极片含水量辊压厚度压实密度极片脆性膜片电阻极片尺寸理论容量DV10-50振实密度石墨化度比表面积BET膈膜厚度隔膜孔径隔膜关闭温度电池容量能量密度功率密度充放电流循环次数作为电化学器件，锂电池的"工艺——微结构——性能"之间的关系错综复杂，从来料检测到电池生产，整个过程中"微观结构"、"质量"和"性能"都有影响。对"微观"形貌的检测，将生产过程参数与电池质量参数直接联系,可以更精确的指导"宏观"工艺，提高电池生产安全性。电极的生产尤为如此图45电极生产关键参数影响影响影响影响影响影响影响搅拌时间搅拌速率搅拌温度涂布流量走带速度涂头间距干燥温度辊压缝隙辊压压力验证验证验证验证图片来源：NE时代整理分析正极材料颗粒的来料检测在成熟的质量管控体系下，动力电池的原料，诸如正极锂盐、负极石墨、高分子隔离膜、金属箔材等，均有严格的检测方案。其中，正极材料的性能要求高、生产用量大、成本占比高，在动力电池中占据核心地位。为了深入分析正极材料的质量与检测要点首先需要了解一般正极材料的生产过程。50蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书图46:正极材料的生产制备图源：欧姆龙，图源：欧姆龙，NE时代收集整理通常，正极材料的生产过程包括一系列球磨混料、高温烧结、掺杂包覆的过程，制备得到粗产物，然后通过分级工艺、过筛、除铁工序对异物或粗大颗粒进行筛分。前三个环节决定了正极材料的化学性质，需要根据不同的材料和电池设计，采用适当的混料比例、烧结温度和包覆材料。后三个环节决定了正极材料的品质和一致性，在平均粒径大小、粒径分布、磁性杂质的去除上起到关键作用。每个环节对于正极材料的品质都存在影响，但在上游材料厂十吨一批的出货节奏下，很难对产品进行充分的检测。因此，对正极材料的来料检测是电池厂开动产线的必要步骤，一般包括以下四大类:(1)粒度分布、比表面积、振实密度反映原料的物理性质和加工性能(2)镍钴锰含量、锂源残留量、PH值反映原料化学特性;(3)水分、磁性杂质等反映原料的异物控制;(4)材料形貌展示了微观结构，全方位体现材料特性。51蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书三元前驱体，一般由共沉淀法生长获得一次前驱体颗粒的二次团聚形成，因而产生诸多不同形貌。理想的三元材料形态完好，在大电流下活性物质颗粒不发生破碎。形貌外观通常使用扫描电子显微镜(SEM)。在扫描电镜的观察下，颗粒形态应饱满，对于单晶体会观察到棒状颗粒团聚成球；通过透射电子显微镜(TEM)可观察其结晶度。图47不同三元材料的电镜形貌图片来源图片来源：蔡司随着动力电池向着大容量、高能量密度、大电流快充等趋势发展,对正极材料的形貌检测的要求也正在逐步提高。然而入门级的钨灯丝电镜还存在一些不足：包覆材料尺寸更小，需要电镜设备要有更高的清晰度和分辨率；元素种类更加复杂，正极颗粒的化学元素比例对形貌的影响难以通过单一配件表现。因此，不喷金、兼容不导电样品、高分辨率和高对比度的电镜成像方案成为行业共同的努力方向52蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书53蔡司的扫描电子显微镜，包含完整的样品制备工作流程，能够快速、连贯地生成图像。其场发射扫描电镜，拥有优异的低电压成像性能使材料制样过程中无需喷金，保留最初的形貌，且离子束在更换探测器时不需要重新聚焦，节省大量时间。蔡司的无漏磁镜筒设计，使用静电场把磁场抵消，样品台表面在任何角度下无任何磁场，可实现任意加速电压和任意工作距离下对磁性样品的高分辨观察。蔡司场发射扫描电镜，具有扩展功能强大、兼容多种探测器、原位成像等优点，可以快速高效的检测到镍钴锰氧化物的原始颗粒的形貌、成分、结构，晶相等。最后，ZENcore软件提供了从采集到定量分析的全QA步骤，让微观参数在生产中完成闭环。尤其是对隔膜这类不导电材料，喷金时可能会时隔膜形状发生改变。需要在极低电压小束流下成像，这就考验了设备在低电压下的成像性能。蔡司的Beambooster技术在通过在镜筒内对电子加减速功能,确保得到小束斑和高信噪比。非常适合这类样品。在高精密的检测设备支持下，通过对加速电压、工作距离、束流大小和扫描速度等各项参数的合理选择，SEM为电池主材的来料检测环节提供了细致入微的分析，给电池安全提供了微观尺度的保障。图48主要材料的电镜形貌电镜下的粘结剂结构用电镜对阳极材料进行颗粒分析用电镜对阴极材料进行颗粒分析电镜下的粘结剂结构用电镜对阳极材料进行颗粒分析图片来源：蔡司蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书混浆、涂布、辊压的质量控制锂电池反应本质上是锂离子在电极材料内部的嵌入、脱嵌与传输，而锂离子在电极孔隙中的传输是电池充放电过程中的关键步骤。因此电池性能与电极涂层中三维孔结构，如孔径大小及其分布、孔隙连通性、孔隙喉道等形貌特征密切相关。混浆、涂布、辊压作为极片成型的核心工序，对形貌特征的建立和优化起到决定性作用。图49电池极片微观结构变化，shodiev，A.，Arcelus,o,&Franco,A.A.(2021).Investigatingelectrodecalenderinganditsimpactonelectrochemicalperformancebymeansofanewdiscreteelementmethodmodel:TowardsadigitaltwinofLi-lonbatterymanufacturing.成分的稳定化。通过主要材料的合理分布，不仅使得材料拥有较好的流动性和粘度满足后续生产，还让活性物质颗粒表面形成导电剂沉积层，从而形成良好的导电网络。如果搅拌过程中：材料分散不均，大颗粒将导致堵滤芯、堵涂布唇口54蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书直接影响生产；导电剂分布不均，会阻碍极片电子流通，膜片电阻增大，影响电池的电化学性能；粘结剂分布不均，会影响涂层结合强度增加生产中涂层脱落的风险。目前，搅拌工序的质量检测大多围绕出货粘度、固含量、过滤性等流体特性，虽然能够反映浆料的物理性质，但对于浆料内部成分结构和搅拌过程中的反应则无法体现。如下图，过快的分散速度、过大的分散力造成原本紧密结合的颗粒破损，无法形成良好的导电网络。图50:浆料搅拌过程中的破碎颗粒图片来源图片来源：蔡司因此，行业需要直观、定量的手段，对正、负极浆料的搅拌质量进行检测，帮助搅拌工艺进行调试和优化。扫描电子显微镜则可以实现微米尺度的观察，发现潜在问题。根据形貌结果的反馈，可以进一步细化工艺参数，降低分散速度、捏合固含量，以保证颗粒的完好结构，提高搅拌质量55蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书极片涂布与干燥工艺经过挤压涂布的浆料通过热风冲击或红外加热使溶剂蒸发，电池极片初步成型。干燥涂层会经历一定程度的收缩固体物质在湿涂层中彼此接近，添加剂迁移后重新分布，最后形成多孔的疏松结构。当前生产中主要的挑战在于，在生产时经常出现表面过干燥或干燥不充分的情况，难以达到最佳的干燥效果。而现有的质量管控主要针对干燥不充分、极片湿度较高的情况，干燥过度产生的微观结构变化通常很难被发现。图51:极片开裂处的微观形貌FactorsFactorsinThickElectrodesforElectricvehicleApplications.JournalofTheElectrochemicalsociety.165.A525-A533.10.1149/2.0571803jes.此时，若对生产过程中的干燥极片进行截面电镜扫描，可以准确判别不同材料的干燥效果，进而针对性的对设备进行调整，在更高维度实现产品的稳定性56蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书57jjpowsour.2017.11.03极涂层和集流体之间的接触面积但在生产中，数吨的压力作用于极片，设备参数很难精确设定，目前量产端普遍配备在线激光厚度检测仪检测厚度，再辅以取样抽检压实密度和粘结力，在厚度、压实密度、粘结力等关键特性进行管控尽量满足生产要求极片密度辊压压力图片来源：NE时代整理收集，primo,E.N，chouchane,M.,Touzin,M.,vazquez,p，&Franco,A.A.(2021).understandingthecalenderingprocessabilityofLi(Ni0.33Mn0.33co0.33)o2-basedcathodes.Journalofpowersources,488,229361.doi:10.1016/jjpowsour.2020.22936蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书但随着生产节奏不断加快，在线检测厚度仅能反映整个面积的均值对不同区域材料的辊压效果无法精确体现，同时缺乏直观的检测设备表现辊压效果。图54主要测厚手段与参数同位素测厚仪红外线测厚仪激光测厚仪电容式测厚仪超声波测厚仪涡流式测厚仪磁感应测厚仪厚度、基本重量、密度厚度、基本重量、密度分层厚度、湿度厚度厚度、湿度厚度厚度厚度在线非接触式在线非接触式在线非接触式在线非接触式在线非接触式手持接触式手持接触式手持接触式0.1μm0.1μm0.1μm0~1.3mm0~5mm0~8mm0~8mm0~1mm0~100mm0~10mm0~10mm图片来源:NE时代整理收集在不考虑各项成本的情况下，若希望提高对内部孔径等微观形貌的探知，可以采用氩离子切割制样+扫描电子显微镜的组合。在截面制样上，FIB切割制样耗时长且观测区域小，而金相研磨抛光很难制备出理想的效果，因此氩离子截面抛光制样成为普遍采用的手段，但动辄数小时的制样时间无法满足生产的取样需求，因此仅能为实验室提供服务。而加装飞秒激光系统的蔡司双束电镜crossbeamlaser，拥有独立的激光加工室，通过飞秒激光系统在真空环境中对样品进行初加工，制58蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书备超大截面(宽度和深度可达毫米级)，可快速实现深埋结构的表征将几个小时的样品制备和拍摄，缩短到分钟级别。在功能拓展上，可与三维X射线显微镜进行关联，精准定位深埋在样品内部的感兴趣区域(ROI)。再搭配镓离子FIB镜筒，在不影响加工精度的情况下加快FIB工作进程，实现小于3nm的出色分辨率。在观测上，最高可达纳米级分辨率的电镜，在2~40μm范围内均有较高灵敏度，较适合目前100+μm厚度的辊压极片形貌的呈现，3D的数据分析，可以帮助客户更好的了解材料颗粒、粘接剂、导电剂、孔隙等的分布情况。除了FIB的3D分析，蔡司更是推出了X射线显微镜，对极片进行无损的高分辨3D扫描。无损扫描避免了特殊制样的麻烦。传统的CT通常分辨率在微米至亚微米级别，分辨率越高，样品需制备越小。但蔡司结合了CT的传统几何放大，加上光镜的二次放大技术，在样品正常大小下，仍能对其进行高分辨扫描。并通过专业分析软件，可以获得迂曲率和孔隙率等参数，帮助电池厂商来优化工艺参数。图片来源图片来源：蔡司59蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书极片切割中的毛刺在线监测经过浆料涂敷，干燥和辊压之后，电池极片需要通过模切和分条形成对应的尺寸。其关键质量要求是符合切割尺寸，不出现褶皱、脱粉、毛刺等现象。但随着刀具的磨损，会产生毛刺、波浪边和脱粉层。其中极片毛刺可能直接或掉落到卷芯内部，刺破隔膜，使得电芯存在内部短路风险，直接影响电池安全。图56:阴极极片的毛刺形貌图片来源：蔡司图片来源：蔡司近年来，电池企业已着手减少毛刺产生和降低毛刺危害，来消除上述风险在减少毛刺产生方面，可以通过优化箔材的塑性、切割的形式、设备的走带速度与收放卷张力等提高切割质量。目前，传统冲压刀模和圆盘刀具逐步改进为激光切割模组，通过激光能量、精确对焦和切割移动速度的设定，激光切割较传统刀模减少了往复结构，避免了传统刀具的磨损，大大帮助减少了大毛刺的产生。但尽管激光切割产生的物理毛刺非常小，但其焦点产生的热影响区(即熔珠)也对切割边缘造成一定影响。如果对焦不当，热影响区较大，即产生不规则的熔珠，同样会成为刺破隔膜的隐患。为了改进工艺，电池企业需要对激光模切的热熔影响区进行分析蔡司携手NE时代联合发布《纤毫毕现,追根溯源-探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书b刀具松动b刀具松动毛刺的know-how。蔡司等光学企业，推出的光镜产品提供了超高精度和EDF(扩展焦深)技术来帮助生产工程师来实现上述改进。模切毛刺模切毛刺图片来源：蔡司在降低毛刺危害方面，通过电池极片的设计改进，如在正极材料边缘的PVDF、氧化铝混合涂层可以保护正极，减少负极铜箔毛刺影响。对于新工艺如PET复合铜箔，在毛刺危害降低上同样有所贡献。1微米的镀铜的强度