蔡司新能源白皮书：叠片精度和良率的每1%提升，背后都有它
对于新能源汽车电池的电芯研发及工艺、电池包方案、生产制造，您有哪些疑惑待解，经验欲分享？8月24日下午1:30，蔡司将举办“以精准助突破——新能源汽车电池质量保证白皮书在线发布会”，来自蔡司、弗迪电池、NE时代的各位专家将通过趋势解读、技术解析、挑战应用等方面，介绍如何运用质量控制手段，实现技术创新和降本增效。
为了尽可能地利用电池从电芯到PACK的有限空间，提高电池的体积能量密度，各大电池厂与电芯设计和制造工艺、PACK结构设计不断较劲。
其中，叠片工艺，随着技术的进步，从被质疑走到广泛接受。大量电池企业在生产短刀电池、快充电池以及300Ah大容量储能电池时，都逐渐进入叠片时代。通过不断改进叠片工艺和智能化检测设备，电池企业已经在生产效率、产品品质和安全性方面取得了显著的进步。
一、叠片：与卷绕分庭抗礼
叠片工艺在方形电池领域声名鹊起可追溯到2019年。
卷绕工艺和叠片工艺，两种工艺原本都拥有自己的应用领域和优势。
卷绕工艺是将电极和隔离膜一起卷成一个圆柱形结构。这种工艺主要应用于圆柱型和方形电池的生产。卷绕电池具有结构紧凑、生产效率高、成本相对较低的特点。但是，由于卷绕电池的电流路径较长，内阻较高，散热性能相对较差。
叠片工艺是将电极和隔离膜叠加在一起，形成一个平面结构。这种工艺主要应用于软包和方壳电池的生产。叠片电池具有如内阻低，放电平台高；壳体内部空间充分利用，体积比容量更高；内部结构均匀，易控制，不易变形，安全性更高等特点。但是，其生产过程相对复杂，成本较高，产品合格率不如卷绕。
卷绕和叠片工艺各自有其专业领域，过去并没有直接竞争，但情况自2019年发生变化。叠片在方形电池领域的用户骤然扩量，与卷绕分庭抗礼。
国内方形电池的主流供应商，比亚迪是叠片电池应用规模最大的一家，2020年重磅推出的刀片电池采用的即是大电芯高速叠片工艺。蜂巢能源同样倡导动力电池“从'卷时代'迈入'叠时代'”，逐渐明晰“短刀+叠片”的技术标签。
▲ 卷绕与堆叠技术发展路径 来源：汽车电子设计
蜂巢能源将其高速叠片技术进化史剖示出来。高速叠片技术三年间经历了三次迭代，2019年0.6秒/片，2021年0.45秒/片；2022年0.125秒/片，生产效率得以极大提升。
生产效率外，提升生产良率也是动力电池降低成本的有效手段之一。多家电池称，其高速叠片工艺解决了行业隔膜褶皱、对齐度不良等缺陷控制与监测痛点问题，生产良品率可达95%以上，叠片对齐公差在±0.3mm以内。超级快充电池SFC480采用了高精度叠片技术，叠片精度达到±0.1mm，达到行业先进的水平，叠片中CCD在线检测，保障叠片精度，叠片后100% CT检测，0不良流出。
▲ 高精度叠片 来源：欣旺达
不难看出，电池企业都致力于实现超高速叠片速度下的高良品率目标。关键在于严密控制每个环节的精度和质量。
二、CT： 打开叠片电芯的黑盒
一旦裸芯进入铝壳并焊好壳盖后，内部的一切未知，之前的每一步都有造成缺陷的风险，有一些甚至是非常严重的隐患。
比如，堆叠时有可能定位不准，造成极片偏移，影响对齐度；堆叠时由于接触极片，很容易造成极片翻折和褶皱；极耳虚焊脱焊，造成电池无效；壳体焊接不良造成漏液，与空气接触；电芯内部的金属异物、极片压伤撞伤、电解液不足等缺陷。
上述问题，需要及时检测出来，但电芯内部组件互相包裹和遮挡，相关组装精度难以全面测量，而拆解电芯的方式，不仅效率低还有漏检的风险。随着技术水平的提高，以上缺陷的检测方案已基本完善。但对叠片电池而言，需要不同的检测手段。
对齐度的测试是重中之重。卷绕电池线边一般使用 X 射线检测卷芯边缘位置。但是叠片电池由于结构不同，暂无法使用 X 射线观测其对齐度，主要使用 CT 检测。
▲ 卷绕和叠片裸芯的检测 来源：《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
通过采用CT（计算机断层扫描）检测，可以对电池情况进行非破坏性检测，在化成前后测试并比较，确保用量充足又不会浪费。由于叠片电池堆叠密度更大，极片厚度更薄，对内部金属异物尺寸的控制更为严格。高精度的无损CT可以发现更小的金属颗粒。目前电池制造商通常配备多台CT设备来提高检测效率。
可以看到，工业 CT 在叠片电池的生产过程中发挥出更大作用。像蔡司的工业 CT 方案，CT 测试可以帮助客户完成多种缺陷的甄别，无论在线边抽检还是失效分析，将成品电芯的安全性提高到新的高度，也区别了各家电芯的质量，让越来越多的电池厂开始意识到 CT 的重要性。
随着技术进步，CT 打开了电芯的黑盒，给出更多种内部缺陷的检测方案，包括对齐度、极片褶皱、极片间隔、极片破损、极片压伤、极耳翻折、极耳焊接缺陷、电解液不足、金属异物、壳体凹坑、壳体焊接缺陷、极柱测量等等。
于此同时，对 CT 的要求也在提高。射线管需要有足够的穿透电压，足够的功率。功率越大，扫描时拍摄的曝光时间越短，可以加快扫描速率。更重要的是，射线源需要有稳定的设计，可以在大功率条件下依然可以保持超长连续工作时间，即使布置在线边的 CT 也需要7x24 小时使用。并且始终保持可追溯的测量精度，保证测量的准确性。
蔡司的 METROTOM 系列即使在苛刻的测试需求下，完美的完成了客户要求，可以稳定检出在此之前的所有工序缺陷，成为业内主要的 CT方案提供者。
在此之上，蔡司更是创造性的把三坐标空间补偿技术应用到计量型工业 CT 领域，2005 制造出全球首台计量型 CT METROTOM，并不断升级。在保证扫描范围等 CT 性能参数的前提下，又进一步极大的提高了扫描精度，为计量型工业 CT 提供了可能性以及更加先进的机械结构。
▲ 融合传统 CT 和三坐标测量的计量型CT 设备 来源：《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
在各厂家在积极研发下，锂电行业的 CT 产品向着“在线监测、自动识别”的方向不断突破。除开硬件因素，还有基于真实缺陷模型的模拟软件。通过应用深度学习/神经网络，减轻人力负担的同时得出准确的数据池。
在软硬件的共同进步下，相信不久的未来将会有在线的自动化 CT 上市，助力锂电池提高质量。
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（丁钰 蔡司工业质量解决方案）
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