2020年9月，由天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院和西門(mén)子工業(yè)軟件（上海）有限公司聯(lián)合主辦，溧陽(yáng)深水科技咨詢(xún)有限公司承辦，溧陽(yáng)市人民政府、江蘇中關(guān)村科技產(chǎn)業(yè)園、中國科學(xué)院物理研究所、長(cháng)三角物理研究中心、《儲能科學(xué)與技術(shù)》雜志協(xié)辦的第一屆全國先進(jìn)動(dòng)力電池智能制造與設計會(huì )議在江蘇·溧陽(yáng)舉行！來(lái)自江蘇衛藍新能源電池有限公司的李永偉總經(jīng)理就“固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展對智能制造的需求預測”做了主題報告。

江蘇衛藍新能源電池有限公司總經(jīng)理李永偉先生：大家下午好，剛才方志剛先生介紹了軟件信息化和智能化對電池產(chǎn)業(yè)、新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和其他工業(yè)的支撐作用。而我這個(gè)報告，將從電池研發(fā)、制造直至客戶(hù)服務(wù)這幾個(gè)方面，預測產(chǎn)業(yè)對智能制造會(huì )有什么樣的需求，跟大家一起來(lái)分享。我將簡(jiǎn)單地從三個(gè)方面進(jìn)行分享，第一部分是介紹各個(gè)電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景，以及它們會(huì )面臨什么樣的問(wèn)題。然后，第二部分會(huì )介紹固態(tài)電池，包括關(guān)鍵材料，電芯和模組設計制造，以及我們需要解決哪些問(wèn)題。第三個(gè)方面會(huì )介紹技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展對智能制造提出的要求。

我想咱們在座的可能有相當一部分人會(huì )經(jīng)歷了近20年的一個(gè)鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。往20年前看的話(huà)，這就是一個(gè)很小的一個(gè)產(chǎn)業(yè)，從電池能量密度來(lái)看，鎳氫電池可能是50-70Wh/Kg。那么后來(lái)從錳酸鋰，磷酸鐵鋰到三元材料，高鎳三元材料這樣一個(gè)材料體系的變化。這個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從幾十億到幾百億到幾千億，并且馬上會(huì )變成萬(wàn)億的產(chǎn)業(yè)，甚至可能還會(huì )有更大的發(fā)展空間。這個(gè)產(chǎn)業(yè)會(huì )對我們整個(gè)先進(jìn)電池的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供很大的空間。但是隨著(zhù)電池能量密度提升，安全性問(wèn)題是越來(lái)越突出，尤其是在儲能、動(dòng)力電池和新能源汽車(chē)這方面體現的會(huì )更突出一些。那么如何解決這個(gè)問(wèn)題，固態(tài)電池為改進(jìn)改善電池的安全性，以及持續提升電池的能量密度提供了一個(gè)很好的技術(shù)解決方案。那么這里面最重要的是把液態(tài)電解液部分或者全部換成固態(tài)電解質(zhì)，這樣能夠進(jìn)一步提高它的安全性，以及通過(guò)引入鋰金屬負極提高能量密度，以及通過(guò)其他的電池設計和體系匹配，實(shí)現長(cháng)壽命的綜合性能。從短期來(lái)看，液態(tài)電池可以通過(guò)材料改性、化成、體系匹配和結構設計，持續提升電池性能。但是為了最終解決電池的安全性問(wèn)題，以及實(shí)現更高的能量密度水平，固態(tài)電池可以通過(guò)更高的電壓范圍、抑制鋰金屬副反應、拓寬溫度窗口，那么可以提供一個(gè)更好的解決方案。從中長(cháng)期發(fā)展來(lái)講，固態(tài)電池的發(fā)展空間非常大。

縱觀(guān)全球，中國、韓國和日本在這個(gè)領(lǐng)域相對處于比較領(lǐng)先的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應用的地位。同時(shí)，歐美的多家企業(yè)現在已經(jīng)開(kāi)始布局并建設核心技術(shù)。固態(tài)電池的技術(shù)競爭越來(lái)越激烈，尤其是隨著(zhù)國際上的大型汽車(chē)公司在全力介入到這個(gè)領(lǐng)域，這個(gè)過(guò)程對固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展會(huì )起到更大的推動(dòng)作用。從目前整體來(lái)看這個(gè)行業(yè)發(fā)展，固態(tài)電池的發(fā)展變化，不管是聚合物固態(tài)電池、薄膜固態(tài)電池，還是硫化物固態(tài)電池和氧化物固態(tài)電池，都還能存在各種問(wèn)題，還需要進(jìn)一步解決。從深化角度來(lái)講，能量密度實(shí)現350Wh/Kg以上，安全性能達到EuroCar二級水平，快充，長(cháng)壽命，低成本，寬溫度范圍，相關(guān)的技術(shù)開(kāi)發(fā)工作以及對應的工藝開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)應用這方面還有非常多的工作需要開(kāi)展。

這是我們對固態(tài)電池和液態(tài)電池的發(fā)展路線(xiàn)的預測。從近期來(lái)看，達到350Wh/Kg對于液態(tài)電池還是有一定發(fā)展空間的。隨著(zhù)時(shí)間的推移，比如說(shuō)2022年或2023年，固液混合電池會(huì )隨著(zhù)不同的材料體系不斷提升能量密度。到2025年，預計全固態(tài)電池會(huì )逐步從小型的消費類(lèi)電池發(fā)展到中型和大型的電池，最終能量密度可以達到500-600Wh/Kg的水平。對于固態(tài)電池，如果量產(chǎn)角度來(lái)看，還有一些比較關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題沒(méi)有很好解決。這里包括界面的基礎科學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題，包括材料和電芯的構效問(wèn)題，以及性能仍需要綜合優(yōu)化。同時(shí)，現在還沒(méi)有一個(gè)特別完善的產(chǎn)業(yè)基礎來(lái)支撐這個(gè)產(chǎn)業(yè)更快的發(fā)展。為了實(shí)現量產(chǎn)，從設計，從開(kāi)發(fā)驗證到規模生產(chǎn)，這里面的工作還非常多。

大概在2022年左右，隨著(zhù)在消費電池領(lǐng)域已經(jīng)逐步導入和應用混合固液電池，動(dòng)力和儲能領(lǐng)域也將逐步導入固液混合電池。這里更多體現的是安全性上的快速提升。全固態(tài)電池也會(huì )按照這樣的路徑發(fā)展，預計2023年到2024年左右消費類(lèi)電池會(huì )導入全固態(tài)電池，而動(dòng)力和儲能領(lǐng)域會(huì )隨之跟進(jìn)到產(chǎn)業(yè)化的程度。

要做好一個(gè)電池，實(shí)際上受到多個(gè)層面因素的影響，我想大家都有非常深刻的體會(huì )。首先，關(guān)鍵材料能不能為電池提供比較穩定的性能，材料制備后能不能設計比較好的結構，把材料集成到電池里面。如何通過(guò)工業(yè)化的生產(chǎn)工藝來(lái)支撐。從材料發(fā)展來(lái)講，經(jīng)過(guò)這20多年，人們對材料已經(jīng)有比較深刻的認知。對于關(guān)鍵材料的性能，比如固態(tài)電解質(zhì)，包括離子電導率，電子電導率，離子遷移數，寬電化學(xué)窗口，熱穩定性和化學(xué)穩定性，以及抑制鋰枝晶生長(cháng)所必需的良好的機械性能。

從制程來(lái)講，要控制比較低的雜質(zhì)含量，高度的一致性，一致性要通過(guò)全流程的過(guò)程質(zhì)量控制，從配料和加工到最后的質(zhì)量控制，整個(gè)流程要建立嚴格的過(guò)程質(zhì)量標準，以達到最后的控制標準，同時(shí)形成規?；偷统杀?。經(jīng)過(guò)2019和2020年的調整，整個(gè)動(dòng)力電池行業(yè)已經(jīng)向著(zhù)大規模高集成度的方向發(fā)展。固態(tài)電池的發(fā)展會(huì )經(jīng)過(guò)早期的低水平競爭，比較順利地進(jìn)入規范發(fā)展的階段。各個(gè)體系的材料有對應的要求，其中既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。固態(tài)電池不一定是單一的一種材料，它可能是幾種材料體系的復合，以達到性能要求。對于正負極活性材料，我們需要對材料的整體結構，和材料表面進(jìn)行對應的改性，設計電池和電極的結構。

這是我們認為可以通過(guò)原位固態(tài)化這樣一個(gè)標準方法能夠實(shí)現半固態(tài)和全國電池的制造的典型電極結構。中間是隔膜或者固態(tài)電解質(zhì)層，和正負極構成電極結構。這是我們認為在當前固液混合階段里面，哪些工序會(huì )有一些新的變化。結合固液混合的特點(diǎn)，首先材料體系會(huì )有一些新的調整。剛才談到我對正負極的，對固態(tài)電解質(zhì)的，甚至對隔膜和固態(tài)電解質(zhì)膜的性能的改進(jìn)，那么新材料導入之后，對分散、勻漿和極片制造的工藝就會(huì )產(chǎn)生新的變化。新引入的固態(tài)電解質(zhì)膜，也會(huì )跟以前的隔膜和涂層隔膜有很多不同。在化成階段里，如何通過(guò)原位聚合如引入電解液，如何實(shí)現原位固態(tài)化，這個(gè)新的工藝會(huì )提出新的挑戰。

衛藍經(jīng)過(guò)兩三年的開(kāi)發(fā)，我們已經(jīng)實(shí)現了300Wh/Kg的電池，它能夠實(shí)現比較好的循環(huán)性能，尤其是45℃高溫循環(huán)壽命能夠超過(guò)1000圈。同時(shí)，它可以在如此高的能量密度條件下，通過(guò)針刺測試。對于硫化物體系，它也有對應的濕法和干法工藝，可以導入其他諸如烘干、壓片等工序。相比現在的工藝過(guò)程還會(huì )更復雜一些。如果采用干法工藝，那么固態(tài)電解質(zhì)層的導入及其加工工藝會(huì )更加復雜。新的工藝會(huì )不斷涌現，工藝的開(kāi)發(fā)和驗證還有比較多的工作去開(kāi)展。

這是今年四月份報道的三星全固態(tài)電池，質(zhì)量能量密度達到400Wh/Kg，體積能量密度達到900Wh/L。這個(gè)電池從綜合指標來(lái)講，處于全球先進(jìn)水平。但是這個(gè)產(chǎn)品涉及很多工藝問(wèn)題，包括熱等靜壓技術(shù)，干法制備電極技術(shù)，壓縮轉印技術(shù)等相關(guān)技術(shù)適不適合大規模生產(chǎn)，如何從實(shí)驗室走出來(lái)，這里還需要很多工藝方面的考慮，裝備的開(kāi)發(fā)以及如何實(shí)現穩定的，一致性較高的生產(chǎn)。對于聚合物電池，同樣也分為濕法和干法工藝兩種，這是大家能夠通過(guò)行業(yè)或者領(lǐng)域的進(jìn)展能看得到的。

固態(tài)電池提供了比較好的前景，可以采用內串聯(lián)結構。這種結構對電池從單體到模組的集成提供了更好的解決辦法。電芯結構可以采用多層制備的方法，極片更加致密，對于體積能量密度會(huì )有比較大的提升。新的疊片工藝在未來(lái)的固態(tài)電池領(lǐng)域，會(huì )得到更大的應用。為什么這么講呢，根據我們應用的主要電極結構，在電池的充放電過(guò)程中，卷繞或疊片各有特點(diǎn)。大家會(huì )更深入地分析哪種結構更適合高膨脹率的硅碳負極或者其他新負極的導入。

從電芯的包裝形式以及結構來(lái)講，隨著(zhù)固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展，也會(huì )有新的變化。由于固態(tài)電池可以提供更寬的工作溫度范圍，固態(tài)電池的安全設計要求會(huì )進(jìn)一步簡(jiǎn)化。對箱體以及對模組的效率呢也可以進(jìn)一步提升。確實(shí)B公司和C公司在這方面做了很多很好的工作，如果固態(tài)電池按照這樣的方式去設計，我相信也會(huì )把能量密度進(jìn)一步提高到更高的水平。我們做個(gè)簡(jiǎn)單的測算，如果300Wh/Kg的電池采用CTP的形式成組，那么它的成組效率有可能達到75%。如果采用刀片電池結構，可能會(huì )達到80%以上。如果我們能夠簡(jiǎn)化冷卻系統，那么成組效率有可能達到85%以上。但這里面還有很多的開(kāi)發(fā)和驗證工作。這是在成組工藝上，因為結構的簡(jiǎn)化和制程的簡(jiǎn)化，那么有可能讓我們在模組成型這個(gè)工藝中得到流程簡(jiǎn)化，進(jìn)一步降低成本。

電池系統因為它的高集成度，對于未來(lái)的智能化管理和無(wú)線(xiàn)通訊，在模組方面也會(huì )得到更大范圍的應用。那么我們下面來(lái)看一下，固態(tài)電池系統和產(chǎn)業(yè)發(fā)展對智能制造有什么樣的需求。前面我們也看到先進(jìn)電池技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)把這個(gè)產(chǎn)業(yè)推進(jìn)到千億級，很快會(huì )進(jìn)入萬(wàn)億的規模。那么固態(tài)電池的發(fā)展應該在一個(gè)更高的起點(diǎn)上，全面地考慮這個(gè)產(chǎn)業(yè)如何去構造。固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應該從上游原材料，甚至在上述電池材料的原材料，如何通過(guò)信息化，數字化，智能化來(lái)管控整個(gè)體系。材料的組織制程、MES導入和智能工廠(chǎng)已經(jīng)做起來(lái)了。在電池行業(yè)，它應該成為新建的動(dòng)力工廠(chǎng)正在普遍應用的技術(shù)。在業(yè)務(wù)端，如果我們把電池技術(shù)和相關(guān)的物料信息，生產(chǎn)制造信息，質(zhì)量信息，物流信息，能夠為下游的客戶(hù)形成很好的鏈接，對于下游客戶(hù)的支撐將發(fā)揮很好的作用。同樣，作為電池行業(yè)，對于上游材料的要求，如果也能建立智能制造的生態(tài)系統，那么對于這個(gè)行業(yè)發(fā)展會(huì )起到積極的推動(dòng)作用。這里主要涉及原料和產(chǎn)品的制程，生產(chǎn)制造的質(zhì)量數據，以及智能倉儲和物流。最終整合質(zhì)量管理、物料即時(shí)供應，實(shí)現高效的連續生產(chǎn)，把敬意管理、全流程和降低成本跟整個(gè)生產(chǎn)流程結合起來(lái)。

固態(tài)電池也好，其他新型電池也好，在有了比較好的材料體系設計和結構設計之后，要通過(guò)工藝把它做起來(lái)。那么每個(gè)工藝必須分析工藝目標，以及需要什么樣的工藝條件和什么樣的工藝裝備去支撐這個(gè)方面去發(fā)展。我們簡(jiǎn)單舉幾個(gè)例子，比如說(shuō)在固態(tài)電池領(lǐng)域，未來(lái)有可能應用的，比如電極干法混料技術(shù)。對于這個(gè)工藝因素的分析，就需要在研發(fā)過(guò)程和開(kāi)發(fā)過(guò)程里面去落實(shí)。比如干電極技術(shù)，也可能導入進(jìn)來(lái)。比如熱復合技術(shù)，需要結合電池的制程，以及過(guò)程和最終的性能要去開(kāi)發(fā)和落實(shí)。

未來(lái)能不能基于歷史數據，通過(guò)機器學(xué)習、數字仿真和優(yōu)化，再加上策略控制系統把AI的相關(guān)技術(shù)跟整個(gè)生產(chǎn)和裝備比較好地結合起來(lái)，然后通過(guò)數字虛擬涂布機完成閉環(huán)的不斷優(yōu)化，最終的目標是實(shí)現我們在生產(chǎn)過(guò)程里面對單工序的智能化控制和智能化管理。這樣對單工序的PPK和智能制程能力會(huì )有大的提升。我在這里舉一個(gè)例子，這是衛藍基于西門(mén)子的平臺與天目湖研究院合作打造了一個(gè)智能工廠(chǎng)的MES控制系統。這個(gè)系統和其他公司的系統有一些不同，除了正常的生產(chǎn)計劃、過(guò)程管理和質(zhì)量管理以外，它對安全管理，對能源消耗，對成本，對基于工廠(chǎng)層面的整個(gè)信息化管理也都明確地提出來(lái)了。包括我們剛才講到的單工序的智能化研發(fā)，這個(gè)工作現在已經(jīng)啟動(dòng)，有一些比較好的結果。

這是數字孿生的車(chē)間主要系統，剛才方志剛先生已經(jīng)講過(guò)了，我就不做具體介紹了。那么從我們整體的研發(fā)體系以及未來(lái)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，我們希望能夠從研發(fā)階段構建以數字化為基礎，讓實(shí)驗試制和數字化的模擬仿真比較好地結合起來(lái)。在制造環(huán)節輸出產(chǎn)品設計之后，能夠在制造環(huán)節通過(guò)MES和DTW與客戶(hù)的信息交互形成一個(gè)良性的互動(dòng)。另外，站在整個(gè)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈和電池產(chǎn)品的全生命周期管理的角度，形成全閉環(huán)的產(chǎn)品信息的追溯和數字共享。在未來(lái)，隨著(zhù)半固態(tài)電池和全固態(tài)電池的發(fā)展，我們相信會(huì )從目前的現有裝備占據80%左右，慢慢過(guò)渡到未來(lái)的大約80%的新技術(shù)和新工藝會(huì )導入固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)。那么這個(gè)目標還需要數字化和智能化技術(shù)起到非常強的支撐作用。同時(shí)結合先進(jìn)測試和失效分析技術(shù)，最終達到下一代工業(yè)4.0鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展方向。未來(lái)我們會(huì )面向更高能量密度、更安全、更強的續航里程，更好地面向應用場(chǎng)景去開(kāi)發(fā)我們的工作。