先进储能科学技术与工业应用丛书--先进储能电池智能制造技术与装备

2000 年我还在研究机器人及应用的时候，结识了陈立泉院士，陈院士关于未来能源存储的绿色梦想深深吸引了我，从此，我开始与锂电池制造技术及装备技术的研究及产业化结下不解之缘。虽没有轰轰烈烈的业绩，但我和我的团队一直坚守在这个领域，积极探索，不曾停步。二十余年里，我们见证了电池制造业的起步和兴起、成长与壮大，在我国移动产品的能源供给方式、污染排放的减少、清洁能源的高效利用、智慧能源的实现等方面，我们积极发挥着基础作用。 
人类所依赖的能源，如石油、天然气、水电乃至风能，我们称之为自然能源。在不久的将来，人类所依赖的能源将主要来自太阳能、风能等，这些能源的特点是需要存储和可以制造，人类依靠储能技术实现能源制造的时代，我们称之为制造能源时代。2020 年电池制造时代来临，我们欣喜地看到储能电池已成为中国能源转型的重要支柱，成为我国“2030 年碳达峰、2060 年碳中和”目标的实现路径之一，成为继钢铁、机器人和中央处理器（CPU）等产品之后诞生的又一个对产业和社会发展起到关键作用的通用目的产品。 
装备的采用是劳动和资本的边际生产效率提高的主要因素?，边际生产效率的提高引致利润率提高，从而提高资本形成率，加快经济增长，这就是产业高质量发展的基础，也是装备在产业发展中的“母鸡”作用，因此古典经济学认为国富增加（经济增长）的可能性在于现代都市社会的形成和随之而来的工业化。现在电池产业正处于这样的时期，用装备解决电池制造业的质量、效率问题，走向大规模智能制造，成为产业发展的必然选择。 
材料、标准和装备是制造业的三大核心基础，标准及标准化的思想是制造体系建立的出发点，只有以此为基础，才能形成真正意义上的大规模制造业，在储能电池逐步成为通用目的产品的今天，发展和奠定储能电池制造的核心基础已是迫在眉睫。装备和智能制造系统是把标准、工艺、方法、经验和要求转化为制造可控、可复制、可优化的措施和手段，因而装备随着产业的发展显得越加重要。储能电池制造装备对产业和国家的作用主要体现在以下几个方面?：一，装备是储能产业质量、效率和成本的保证；二，装备是产业的存在基础和价值实现的保证；三，储能装备将成为国家在全球强国竞争中分工的关键决定因素和竞争力的保证手段，是能源战略转型实现的基础以及国家财富和产业安全的保障。 
现阶段，装备产业面临诸多问题，如产业地位较低，发展模式、标准滞后，业内争论不止，装备企业各行其是等。总体来说，过去中国制造业大多是借鉴西方发达国家的经验，结合中国资源优势、制度优势和人口红利，采取集约式资源整合创新和模仿创新的方式来获得价格优势，实现了中国大多数产业的工业化转型。然而我们在技术原理、制造工艺以及制造装备上的创新并不多，我们的制造业仍处于制造微笑曲线的底端，对装备技术的基础作用认识不足，重视不够，并且通常把装备制造业当成一般制造业，任其逐利竞争、野蛮生长；对装备作为制造业“母鸡”的地位和作用认识不足，导致我国规模制造产品出现合格率不高、效率低、能耗大、总体制造成本高的局面。现状是，我国在储能电池制造业走出了一条装备自主化、规模化发展的道路，装备的自主化率达到90%以上，然而储能电池的制造技术却处于低端水平，制造效率及制造合格率低，安全问题时有发生，关键零部件对外依存度较高，自主创新能力不强，关键重大装备的性能亟须快速提升。在储能电池制造向高效、大规模、智能化升级的过程中，现有的装备技术能力及生产模式无法满足未来质量要求和产能发展需求。中国在制造产能输出方面已经走在世界的前列，没有完全成熟的经验可以借鉴，这就需要我们深入研究电池机理，利用现代制造的理念和方法解决产业发展中的问题。储能电池制造产业结构升级最核心的问题是产业装备的升级。我们期待借助储能电池产业发展的大好时机，快速响应市场需求，借鉴不同行业产业化的经验和方式，结合储能电池发展的特点，推进制造工艺、制造装备和智能化创新发展，走出一条中国储能电池制造自主创新发展的道路。 
储能电池技术的发展日新月异，尤其是储能产业正在走向大规模应用和制造技术创新的进取之路上，我们认为很有必要总结储能电池制造产业的进展，了解过去，并在制造基础建设、产业发展趋势上进行思考和规划，让我们在未来电池制造业的发展中少走弯路。 
本书由阳如坤确定总体思路、框架和各章节结构，负责统稿和定稿，各章节内容由各负责人主导完成，并由关敬党、吴学科、左龙龙进行审稿。全书共分为10 章，其中第1 章由深圳吉阳智能科技有限公司（以下简称吉阳智能）刘阿密撰写；第2 章由吉阳智能阳如坤撰写；第3 章由吉阳智能项闯闯、左龙龙撰写；第4 章第1 节由深圳市尚水智能设备有限公司石桥、金旭东撰写，第2 节由深圳市善营自动化股份有限公司关敬党、宁鹏撰写，第3 节由邢台朝阳机械制造有限公司陶齐和、刘计春撰写，第4 节由吉阳智能左龙龙、阳如坤撰写，第5 节由深圳市中基自动化有限公司王林、何卫国撰写，第6 节由深圳市时代高科技设备股份有限公司杨毅、田瀚溶撰写，第7 节由深圳市精朗自动化联合科技有限公司黄轶撰写，第8 节由吉阳智能徐福斌、刘作才撰写；第5 章由吉阳智能段水波、吴学科撰写；第6 章由吉阳智能王雷、左龙龙撰写；第7 章由吉阳智能马荣梅、阳如坤撰写；第8 章由吉阳智能胡太正、左龙龙撰写；第9 章由吉阳智能黄持伟、阳如坤撰写；第10 章由吉阳智能刘作才、左龙龙撰写。 
本书的核心内容是本书编写团队多年从业经验和吉阳智能产品多年应用经验的结晶。在此感谢吉阳智能公司全体同仁，经过二十多年的坚持和不懈努力，我们在中国储能电池制造及装备发展中留下了自己的足迹；未来，我们将继续坚持“成为新能源行业的ASML”的理念，顺应储能电池产业发展的步伐，不断创新，谋求进步。感谢本书各章节的作者毫无保留地分享个体的经验和智慧，不吝投入时间精力，反复修改、核对，使本书得以出版。还要感谢从事储能电池技术研究、储能制造技术研究的高校与研究所，以及储能电池制造企业、储能电池装备制造企业，是你们的不懈努力促成了今天储能产业的蓬勃发展。特别感谢中科院物理研究所的陈立泉院士、李泓研究员、黄学杰研究员以及他们的团队，他们对储能产业的执着追求和一往无前的勇气，深深感染了我们，高山仰止，景行行止，为心之所向，我们还将不断前行。 
尽管储能电池产业技术已经发展了二十多年，但电池制造产业主要研究工作还是在验证电池原理，电池产品也往往被定义为电器或汽车的配套附件，真正大规模制造技术方面并没有取得突破性进展。电池真正进入大规模制造产业始于2020 年，中国电动汽车市场从政策驱动逐步转为市场驱动，储能电池应用开始走向成熟，产业真正迎来规模化高速发展期，其制造技术的发展进入快车道，但一些学术难题、高质量制造和大规模制造难题尚未完全解决并形成统一结论。同时，由于我们的经验不足，时间仓促以及知识水平所限，本书一些观点和看法难免有偏颇和疏漏，敬请各位读者批评指正。我们也期待未来更多储能电池产业制造与装备界的仁人志士加入这个行业，把更多的技术分享、奉献给先进储能电池产业和读者。在中国制造业亟待高质量发展的今天，新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，全球价值链的调整对我国制造业的转型升级形成重大挑战，同时又提供了重大历史机遇。本书是我们尽心竭力对过往电池制造技术与装备的总结，希望对感兴趣的读者有所帮助和指引，成为点亮先进储能电池制造及装备产业的一点薪火！ 

阳如坤 
2022 年1 月22 日于深圳 

储能是节能环保、清洁能源、能源互联、电动汽车等新能源产业的基础技术。电池作为储能的重要载体，其高安全性、高品质、高效率、低成本制造是新能源产业发展的必然要求。 基于先进储能电池大规模制造的需求，本书以先进储能电池智能制造为主线，阐述了先进储能电池电芯制造技术、制造工艺、制造装备的现状、趋势及构成，并就储能电池制造数字化及智能制造技术、储能电池制造环境控制、制造测量与缺陷检查、制造安全管理、能耗管理、制造工厂建设等方面的要求、设置原则以及保证方法与措施等进行了深入剖析和阐述。 本书可以为储能及动力电池产业的工程技术人员在电池制造规划、制造管理、电芯制造设备开发、制造安全与品质控制等方面提供参考；对储能科学与工程、电化学、能源与动力工程等相关专业的高校本科生、研究生以及对储能及动力电池产业感兴趣的人士也具有参考价值。

阳如坤，研究员，国际IEC/TC23/SC23K专家，国标委SAC/TC159专家，享受国务院政府特殊津贴和广东省政府特殊津贴，2009年被评为“深圳市高层次人才”，2014年成为深圳市专家库专家，2018年被评为广东省“特支人才”，现任深圳吉阳智能科技有限公司董事长。 
曾先后获得国家科技进步奖、国家科技部刘永龄科技奖、科学院科技进步特等奖、国家能源科技进步奖等各类奖项。牵头制定《汽车动力蓄电池工程装备发展路线图》。在智能机器开发、锂电池制造、锂电装备制造、智能制造系统与体系建设等领域有深入研究和丰富的实践经验，组织研究锂电池制造工艺与装备，建立了锂离子电池数字化车间集成标准，解决了锂离子电池智能制造基础问题，走出了中国锂电装备创新发展的技术路线，拥有超过300项电池制造激光模切、卷绕、叠片、极片清洗制造技术及装备的核心专利，初步解决了锂离子电池生产装备的关键核心难题。 

第1 章 先进储能电池产业介绍 1 
1.1 概述 1 
1.2 国家能源战略与先进储能电池产业 2 
1.2.1 国家能源战略2 
1.2.2 先进储能电池产业发展 4 
1.2.3 储能电池是一种通用目的产品5 
1.3 先进储能电池产业发展趋势 6 
1.3.1 储能电池未来市场需求6 
1.3.2 锂电产业发展规律7 
1.3.3 锂电池技术未来发展趋势 11 
1.4 先进储能电池制造装备发展情况12 

第2 章 先进储能电池制造技术 14 
2.1 先进储能电池制造概述 14 
2.1.1 储能电池制造必然是大规模定制制造 14 
2.1.2 电池制造与半导体制造的对比 16 
2.1.3 先进储能电池制造的8 大特征 16 
2.2 制造体系建立 18 
2.2.1 制造相关标准 18 
2.2.2 产品设计原则19 
2.2.3 汽车动力蓄电池行业规范条件 20 
2.2.4 锂电池企业安全生产规范 20 
2.3 制造质量及合格率 21 
2.3.1 衡量储能电池制造水平的8 大指标21 
2.3.2 储能电池电芯成品率 22 
2.4 制造目标及路线图22 
2.4.1 制造技术现状及趋势 22 
2.4.2 面向2035 储能电池制造发展目标 24 
2.5 储能电池尺寸标准化与制造26 
2.5.1 锂电池尺寸规格国外现状 26 
2.5.2 锂电池尺寸规格国内现状 27 
2.5.3 电池尺寸规格不标准带来的问题 29 
2.5.4 电池尺寸规格标准化的意义 30 
2.6 先进储能电池智能制造的未来32 
2.6.1 智能制造的需求 32 
2.6.2 智能制造的路径 33 
2.6.3 智能制造的思路 36 
2.6.4 智能制造质量纵向数据闭环 39 
2.6.5 智能制造质量横向过程闭环 40 
2.6.6 智能制造系统成熟度实现的层级41 

第3 章 先进储能电池制造工艺 42 
3.1 储能电池制造工艺42 
3.1.1 方形电池 43 
3.1.2 圆柱电池 48 
3.1.3 软包电池 49 
3.2 固态电池制造工艺52 
3.3 工艺过程、装备的标准化54 
3.4 制造工艺及装备创新的思路56 
3.4.1 制造工艺及装备发展趋势 56 
3.4.2 材料技术与制造技术深度融合 57 
3.4.3 制造一体化及制造原理改变 58 
3.4.4 制造工艺及电池结构精简化59 

第4 章 先进储能电池智能装备 60 
4.1 制浆设备 60 
4.1.1 制浆工艺介绍60 
4.1.2 制浆设备现状 65 
4.1.3 制浆设备未来发展趋势 71 
4.2 极片涂布设备 71 
4.2.1 涂布机设备原理及分类 71 
4.2.2 设备组成及关键结构73 
4.2.3 设备选择78 
4.2.4 设备使用说明80 
4.3 辊压、分切设备100 
4.3.1 辊压设备 100 
4.3.2 分切设备112 
4.4 芯包制造设备 119 
4.4.1 工序设备及指标119 
4.4.2 极片极耳成型设备 120 
4.4.3 芯包卷绕设备 125 
4.4.4 芯包叠片设备 132 
4.5 电芯装配设备140 
4.5.1 圆柱电池装配线 140 
4.5.2 铝壳电池装配线 158 
4.5.3 软包电池装配线 184 
4.6 干燥设备196 
4.6.1 干燥设备介绍 196 
4.6.2 真空干燥原理 197 
4.6.3 电池真空干燥工艺 199 
4.6.4 真空干燥设备基本组成及分类 202 
4.6.5 典型电池真空干燥设备 203 
4.6.6 锂电池真空干燥设备性能评估 210 
4.6.7 真空干燥设备发展方向 212 
4.7 注液设备213 
4.7.1 注液设备介绍 213 
4.7.2 设备组成及关键结构 219 
4.7.3 设备选择和应用案例222 
4.7.4 设备使用和维护222 
4.8 电芯化成分容设备 223 
4.8.1 设备原理、分类及主要性能指标223 
4.8.2 软包化成分容设备225 
4.8.3 方壳化成分容设备 231 
4.8.4 设备选择与应用案例235 
4.8.5 设备使用与维护235 
4.8.6 化成设备发展趋势 241 

第5 章 先进储能电池制造数字化、智能化 243 
5.1 先进储能电池制造元数据与数据字典243 
5.1.1 元数据 243 
5.1.2 数据字典246 
5.2 储能电池智能制造工业互联网架构248 
5.2.1 工业互联网的三大核心和四大特点 248 
5.2.2 工业互联网平台架构 249 
5.2.3 设备层与车间层集成250 
5.2.4 产业层与企业层、车间层集成250 
5.2.5 储能电池制造边缘计算实施和边缘协同 251 
5.3 多元异构高通量制造数据获取与数据平台搭建 251 
5.3.1 储能电池制造多源异构高通量数据 251 
5.3.2 储能电池制造多源异构高通量数据平台搭建252 
5.4 储能电池制造大数据分析256 
5.4.1 工业大数据分析作用及前景256 
5.4.2 大数据分析步骤256 
5.5 数字化车间数据集成257 
5.5.1 数字化车间现场网络架构257 
5.5.2 数据集成架构258 
5.5.3 数据集成信息流260 
5.5.4 数据采集方式及数据集成要求 261 
5.6 先进储能制造过程追溯体系建设 262 
5.6.1 什么是制造过程追溯 262 
5.6.2 储能电池产品追溯系统的意义 262 
5.6.3 制造过程追溯系统关联对象 263 
5.6.4 储能电池追溯应满足的要求 264 
5.7 制造过程智能管控 264 
5.7.1 储能电池生产智能管控的分类 264 
5.7.2 制造过程智能管控未来的几点展望 266 
5.8 储能电池制造管控微服务及App 266 
5.8.1 储能电池制造微服务描述 266 
5.8.2 基于微服务构建的App 267 
5.9 设备健康管理与预测性维护 268 
5.9.1 设备健康管理 268 
5.9.2 设备预测性维护 269 
5.10 制造质量分析及数据闭环271 
5.10.1 储能电池制造质量分析架构 271 
5.10.2 闭环质量控制方法 273 
5.10.3 电池质量失效分析模型 277 
5.11 5G TSN 与OPC UA 的畅想 282 
5.11.1 为什么需要5G 282 
5.11.2 为什么需要TSN 282 
5.11.3 为什么需要OPC UA 283 
5.11.4 5G TSN 与OPC UA 的关系 284 

第6 章 先进储能电池制造环境控制 286 
6.1 制造环境要求 286 
6.1.1 室外环境 286 
6.1.2 室内环境 289 
6.2 储能电池制造的环境污染 297 
6.3 污染的来源与控制 297 
6.3.1 水分除湿 297 
6.3.2 洁净风管和围挡结构 298 
6.3.3 操作人员 298 
6.3.4 外界自然环境 298 
6.3.5 生产车间管理 299 
6.3.6 金属异物控制 299 
6.4 环境与污染的监控299 

第7 章 先进储能电池制造测量与缺陷检查 305 
7.1 制造过程测量的内容分类及评估方法305 
7.1.1 内容分类305 
7.1.2 评估方法 306 
7.2 制造过程测量及设备 314 
7.2.1 射线面密度测量仪 314 
7.2.2 激光测厚仪 315 
7.2.3 张力计 315 
7.2.4 黏度计 316 
7.2.5 电阻测试仪 317 
7.2.6 纠偏仪 318 
7.2.7 称重系统 320 
7.3 制造缺陷检测及设备 321 
7.3.1 显微放大系统 321 
7.3.2 CCD 测试系统322 
7.4 电芯内部检测与设备324 
7.4.1 X-CT 技术及测试系统 324 
7.4.2 超声检测系统326 
7.4.3 红外热成像检测系统327 
7.4.4 植入式感知系统 328 
7.5 小结329 

第8 章 先进储能电池制造安全 330 
8.1 概述330 
8.1.1 电池安全 330 
8.1.2 电池热失控 331 
8.2 电池安全性影响因素 333 
8.2.1 电池设计的安全性影响因素 333 
8.2.2 电池生产制造过程中的安全性影响因素 335 
8.2.3 使用与滥用过程中的安全性影响因素 339 
8.3 电池制造安全控制与管控体系 340 
8.3.1 电池制造安全因素控制 340 
8.3.2 电池制造安全控制核心要点 340 
8.3.3 电池制造安全管控体系 342 

第9 章 先进储能电池制造能耗管控 346 
9.1 能耗管理的作用及意义 346 
9.1.1 能耗管理概述 346 
9.1.2 国内外制造业能耗监控发展现状 346 
9.1.3 储能电池制造能耗管理的价值 347 
9.2 储能电池制造能耗 348 
9.2.1 生产过程中的能耗 349 
9.2.2 生产环境控制能耗 350 
9.3 储能电池制造能耗标准及评价方法351 
9.3.1 制造能耗标准 351 
9.3.2 制造设备的能耗控制标准 353 
9.3.3 制造工艺的能耗控制标准 354 
9.3.4 制造环境的能耗控制标准 355 
9.3.5 能耗监控的智能化 356 
9.4 储能电池制造能耗评价方法 357 
9.4.1 能耗评价方法类型 357 
9.4.2 制造工序能耗计算评价方法 358 
9.4.3 制造系统能耗计算评价方法 358 
9.5 储能电池制造关键能耗设计规范 359 
9.5.1 能耗设计规范的意义 359 
9.5.2 制造设备能耗设计规范 360 
9.5.3 制造环境能耗设计规范 361 
9.5.4 规范储能电池制造生产工序362 
9.5.5 将节能设计与现代智能控制和分析相结合362 
9.5.6 能效管理系统设计362 
9.6 储能电池制造能耗管理与监控363 
9.6.1 能耗管理363 
9.6.2 能耗监控 368 
9.7 储能电池制造能耗计算实例370 
9.7.1 能耗计算实例1370 
9.7.2 能耗计算实例2 370 

第10 章 先进储能电池智能制造工厂建设 372 
10.1 储能电池工厂建设的原则与内容372 
10.1.1 工厂建设的基本原则372 
10.1.2 储能电池大规模生产的条件372 
10.1.3 制造合格率分解373 
10.1.4 储能电池生产设备选择原则374 
10.1.5 智能工厂设计流程375 
10.2 储能电池智能工厂集成376 
10.2.1 总体框架376 
10.2.2 核心业务377 
10.2.3 主要技术特征377 
10.2.4 软硬件集成 379 
10.2.5 储能电池无人化工厂 380 
10.3 储能电池制造质量优化 381 
10.3.1 储能电池制造质量目标 381 
10.3.2 储能电池制造过程优化 382 
10.3.3 电芯整体质量优化 384 
10.4 储能电池制造辅助系统集成384 
10.4.1 智慧能源系统 384 
10.4.2 智能物流系统 386 
10.4.3 智能视频监控 386 

参考文献388 

本书是“先进储能科学技术与工业应用丛书”的一个分册，本套丛书由中科院物理所李泓研究员牵头组织，涉及储能科学技术与应用的多个方面，助力于推动储能技术的发展和应用。 
本书的内容特点如下： 
★先进储能电池产业介绍 
★先进储能电池制造技术 
★先进储能电池制造工艺 
★先进储能电池智能装备：制浆设备、极片涂布设备、分切设备、芯包制造设备、电芯装配设备、干燥设备、注液设备、电芯化成分容设备 
★先进储能电池制造数字化、智能化 
★先进储能电池制造环境控制 
★储能电池制造测量与缺陷检查 
★储能电池制造安全 
★储能电池制造能耗管控 
★先进储能电池制造工厂建设