DOI Link:
https://doi.org/10.1038/s41467-025-55861-7
Googlescholar:
https://scholar.google.com.hk/citations?user=GyD43R4AAAAJ&hl=zh-CN&oi=sra
ScienceDirect:
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=55507104700
UniversityWeb:
https://petermattia.com/
3. 收录日期
1. 科学问题
电池生产中的质量管理和性能提升之间的平衡，尤其是在大规模生产和质量检测方面，构成了推动全球电气化进程的重要科学挑战。
2. BG
电池行业正处于快速发展的阶段，受到气候变化影响的推动，电动汽车和固定能源存储的需求不断增加。 预计到2030年，电池行业年均增长率将达到30%，能源转型对电池储能的需求前所未有。
关键问题
电池质量与安全挑战
材料供应链问题和新电池概念的商业化困难已被广泛讨论，但电池质量对安全性、可靠性及制造商财务表现的影响常被忽视（Fig. 1）。 自1991年锂离子电池商业化以来，消费电子、微型电动设备、电动汽车、航空及医疗设备等领域发生了多起安全事故（Fig. 1a）。 近年来，因电动车召回导致的巨额经济损失和诸多火灾事故（如纽约市电动自行车火灾）显著增加，表明电池安全风险正在上升。
电池质量对可靠性的影响
开路失效会使串联电池无法正常工作。 短路失效会导致串联电池过充并可能引发热失控传播。 电池初始性能及老化的差异会导致电池组性能下降，即使采用硬件或软件平衡策略也难以完全解决这些问题。
电池组中单个电池的失效会引发连锁反应，导致整个电池组失效（Fig. 1b）。
大规模生产对质量的苛刻要求
例如，一座年产38 GWh的西方电池工厂需每日生产600万颗电池，制造过程必须满足几微米的几何公差要求，并避免微小颗粒污染。
高产能和高精度是大规模电池生产的核心挑战（Fig. 1c）。 在多条生产线高效运转并持续改进的情况下，确保每个电池都符合规格是一项艰巨任务。 质量控制已成为区分顶尖和低端电池生产商的关键因素。
实际应用
电池制造商和设备制造商需共同应对大规模生产中的质量问题，优化生产流程和管理体系。 在制造中引入更完善的质量框架是未来生产能力扩展的关键，但目前尚处于早期阶段。
未来发展
电池质量是制约大规模生产和行业发展的重要技术挑战，需要广泛关注与深入研究。 建立全面的电池质量管理框架，以涵盖寿命、安全性、可靠性及制造性能等关键属性。 推动行业对电池质量重要性的接受和重视，为电气化未来奠定坚实基础。
Fig. 1: Three challenges related to poor battery quality.
3. 研究结果
3.1 电池质量相关关键属性定义
1. 电池性能的复杂性
确保电池质量的核心挑战在于电池性能的复杂性，其中电池寿命和失效是尤为重要、敏感且复杂的性能支柱。
尽管对电池寿命和失效的理解不断深入，但其复杂性和相互依赖性依旧值得进一步研究。
虽然本文重点讨论锂离子电池，但相关原则同样适用于所有电化学电池（如锂金属电池、钠离子电池等，包括水系和非水系、一次和二次电池）。
2. 电池失效分类（Fig. 2）
(1) 失效影响因素
列举了导致电池失效的关键驱动因素（Fig. 2a）。
(2) 失效分类
按严重程度将电池失效分为三类：
性能退化（Fig. 2b）：指电池性能的逐步下降。
功能失效（Fig. 2c）：电池失去预期功能或无法正常工作。
安全事件（Fig. 2d）：如热失控引发的重大安全问题。
3.2 电池失效分类与关键术语定义
1. 电池失效的三大类别
(1) 性能退化（Fig. 2b）
定义：随时间推移，电池的可用能量和速率能力等性能下降。
根本原因：主要由电化学和化学退化模式引起，包括以下经典模式：
固体电解质界面（SEI）生长和正极电解质界面生长，导致容量和能量下降、内阻增加。
活性材料流失，正负极锂离子储存位点变得不可用。
其他因素如集流体腐蚀和电极间“交叉效应”。
重要性：减少性能退化对提升电池可持续性和新一代电池化学体系的推广至关重要。
挑战：电化学寿命测试时间长，制约了电池技术的创新。
影响程度：虽然性能退化是电池寿命和失效的重要组成部分，但对全球电气化的威胁小于功能失效和安全事件。
(2) 功能失效（Fig. 2c）
定义：电池无法满足功能需求，导致无法正常工作或实用性大幅下降。
主要模式：
开路失效：电池电子路径断开，阻抗极高。
短路失效：电极间意外连接，阻抗极低。
关键术语：
电池可靠性：在指定操作条件和时间内，电池避免功能失效的能力。
影响因素：单体电池的可靠性直接决定电池组的可靠性。
测试与挑战：
加速测试（如高温或快速循环）和早期预测技术可降低成本，但阈值性失效机制（如焊点失效时间）难以避免长测试时间。
(3) 安全事件（Fig. 2d）
定义：任何可能对人类或环境造成危害的电池问题，包括热失控引发的火灾和爆炸、毒性气体释放或液体泄漏。
触发机制：
外部机制：过充电、环境温度突然升高、机械冲击等。
内部机制：内短路、局部电流增加（如极片撕裂）等。
设计安全边界：
例如，隔膜设计考虑关闭温度，外壳厚度设计以提高抗侧向破裂能力等。
不同应用（如心脏起搏器与远离人类居住的电网储能设备）需不同安全裕度。
2. 失效驱动力及其复杂性
失效驱动力（Fig. 2a）和相互作用导致需要考虑数百甚至数千种风险因素-失效模式组合。
外部风险控制：
制造商可控制设计和操作限制，但难以完全控制终端用户行为和环境条件。
数据支持：
深入了解用户行为分布和极端行为，结合现场遥测数据，有助于更好地估算保修责任。
Fig. 3: The relationship between cell-level reliability and pack-level reliability.
3.3 电池质量的重要性
1. 定义电池质量的两种方式
(1) 缺陷率（Defect Rate）
质量差的电池表现为高制造缺陷率，可能导致功能失效（如开路或短路）或安全事故。
缺陷可分为显性缺陷（易发现）和潜在缺陷（在特定条件下才显现）。例如，Chevrolet Bolt的安全问题源于负极撕裂与隔膜折叠同时存在。
电芯中可能出现的缺陷包括腐蚀、锂枝晶生长（穿透隔膜导致短路）、金属颗粒污染、隔膜针孔、折叠或错位等。
(2) 符合性（Conformance）
指生产产品与设计意图的一致性，通常通过“电芯间差异性”衡量。
不符合设计并不总是直接导致失效，但通常表明过程控制薄弱，可能提高故障风险。
例如，小的结构和组成偏差可能导致显著的性能变化或失效风险。
2. 开路失效与短路失效（Fig. 4）
(1) 开路失效（Fig. 4a）
主要发生在电芯电子路径中的关键部件，例如焊接点腐蚀、极耳断裂等。
某些安全装置（如电流中断装置）可主动引发开路失效。
(2) 短路失效（Fig. 4b）
可能由电极间的电子接触引发，多数是由微米级缺陷导致的。
原因包括锂枝晶形成、金属颗粒污染、隔膜针孔或对齐不良等。
3. 潜在缺陷的影响
潜在缺陷初始存在但暂时不显现，可能随时间或使用条件激活。
这些缺陷通常难以检测，只有在失效严重到一定程度后才会显现。
4. 关键指标与挑战
(1) 缺陷率指标
通常用百万缺陷率（DPPM）表示。
缺陷类型多样且复杂，潜在缺陷难以生产中检测，加大了精准定义和识别的难度。
(2) 伪劣电池的极端案例
标准安全功能可能被移除以降低成本，导致严重的安全事件。
5. 不符合性导致的问题
(1) 对电芯性能的影响
设计偏差可能放大失效概率和严重性。例如，电解质添加剂浓度或导电网络的轻微变化会显著影响性能。
测试成本随电芯间差异性增大而上升。
(2) 对模块和电池包的影响
高变异性可能导致电池包无法达到预期性能，例如能量和速率能力降低。
电压或电流的不平衡可能导致不均匀老化，加速性能退化。
6. 总结
缺陷率和符合性是电池质量的核心衡量标准，对电池寿命和安全有决定性影响。
在电池生产中，需要平衡这两方面以确保产品质量，并避免潜在失效和经济损失。
Fig. 4: Common battery defects that can cause functional failures.
3.4 电池制造性能
1. 制造性能指标
(1) 关键指标
包括资本支出、运营费用、产出率、爬坡时间、设备利用率、产能、盈利能力以及现场故障发生率。
薄利经营：电池工厂的利润率通常只有2–3%，质量问题与制造性能之间往往存在矛盾。
(2) 现实挑战
对于存在边界性失效的电池批次，生产团队和质量团队可能争论是否继续使用。
质量评估可能需要数周，而生产决策通常需在每日甚至每小时内完成，以避免库存积压或生产线停工。
出厂缺陷电芯可能导致严重的品牌声誉风险和后续昂贵的工程资源投入。
2. 制造动态性（Dynamicism）
(1) 动态性的重要性
工厂需应对内部（如设备更新、新工艺学习、新电芯设计、商业目标）及外部（如改进或更廉价的材料、市场需求变化、政策激励）因素的变化。
过多的需求可能威胁生产稳定性，但动态适应能力是制造成功的关键因素。
3. 可持续性生产
(1) 能耗与废料
每生产1kWh电芯约需消耗30–65kWh能量。
在爬坡阶段，废料率可能从低于5%到高达90%不等。
废料回收虽能提升生产的可持续性，但减少废料率才是根本途径。
(2) 质量控制的作用
强调质量及其控制可减少材料与能源浪费，是提升制造可持续性的有效手段。
4. 总结
制造性能包括多维度指标，需在质量与效率之间平衡。
动态适应能力和可持续性是现代电池制造的重要组成部分。
高质量控制不仅能降低废料率，还能提升生产效率和企业盈利能力。
3.5 电池生产中的质量管理
1. 电池质量管理的必要性
质量问题的特点
电池质量问题具有高频率、高严重性和不可避免性。
不管理质量可能导致严重风险，而质量控制中的决策常需在高不确定性下进行。
2. 质量管理的四种途径（Fig. 5）
(1) 路径概述
四种管理途径基于制造业常用的工艺能力分析方法提出。
实际应用中通常需要综合运用多种方法来确保质量。
(2) 案例：极片悬边（Overhang）
问题与影响
不足的悬边可能导致锂金属沉积，进而引发内部短路，严重时可导致热失控。
设计目标与规格限
典型设计目标为550 µm；规格限范围设为300 µm（下限）至1000 µm（上限）。
下限（LSL）：由可靠性或安全性（如锂沉积）设定；上限（USL）：由性能或成本（如正极材料不足或负极材料过量）设定。
3. 生产过程中的规格控制
规格控制的意义
若实际生产的悬边偏离目标（例如平均500 µm，标准差75 µm），可能违反规格限（例如低于LSL或高于USL）。
违反规格限的工艺视为失控，需立即采取措施以恢复生产稳定性。
4. 总结
电池质量管理必须平衡设计目标、规格限与生产实际的差距。
综合运用多种管理路径，结合工艺能力分析，可有效应对复杂质量问题。
实现质量控制的关键在于提前识别问题并迅速调整，确保生产过程符合既定规范限值。
Fig. 5: Pathways for improving battery quality control.
3.6 生产中的四种质量管理路径（Fig. 5）
1. 扩展规格限值（Pathway 1: Expand specification limits）
(1) 方法概述
通过扩大规格限值范围，无需改变生产工艺即可解决部分质量问题（Fig. 5b）。
适用场景：目标应用对可靠性或安全性要求较低（如降低悬边的LSL）。
(2) 挑战与局限
某些规格因安全考虑或合同义务无法调整。
需要与下游模块/电池包设计团队及终端用户协调。
(3) 影响分析
模块/电池包设计团队：可能需增加成本和复杂性（如引入主动平衡或额外热绝缘材料）。
终端用户：可能因调整电池工作参数（如降低充电速率或车辆续航）而影响使用体验，需谨慎沟通。
(4) 注意事项
在设定规格时需综合考虑电池设计、生产能力、使用场景及商业因素。
2. 移动分布均值（Pathway 2: Shift the population mean）
(1) 法概述
调整电池设计参数以提高抗故障能力，例如增加悬边设计目标（Fig. 5c）。
(2) 优缺点权衡
增强可靠性可能牺牲性能与成本（如降低能量密度或增加保护组件）。
新型电池化学体系（如固态电池）可能因更高能量密度而面临更大的安全风险权衡。
(3) 总结
此方法适合性能与成本要求相对宽松的场景，但需在市场压力下权衡质量与可靠性。
3. 收紧分布范围（Pathway 3: Tighten distribution）
(1) 方法概述
提升工艺能力，减少产品参数的变异性（Fig. 5d）。
优点
提高产品一致性，同时可能提升性能（如更高的能量密度）。
(2) 实际挑战
改善工艺能力通常成本高昂且耗时长。
电池生产复杂，调整一个参数可能引发连锁效应，增加实施难度。
此方法可能违背易于制造原则（Design-for-Manufacturability）。
(3) 总结
尽管技术可行性存在限制，减少变异性在部分关键工艺中仍具有重要意义。
4. 改善检测能力（Pathway 4: Improve inspection）
(1) 方法概述
优化质量检测与缺陷识别能力（Fig. 5e）。
尽管检测不能直接解决根本问题，但可避免其他更痛苦的权衡。
(2) 关键考虑（Fig. 6）
综合检测策略需结合实际情况进行设计。
(3) 总结
检测改善是应对复杂质量问题的有效手段，需因地制宜采用全面策略。
5. 总结
生产质量管理需综合利用扩展规格限值、移动均值、收紧分布范围和改进检测能力四种路径。
每种方法均有其优点与限制，实际应用中需结合具体场景与要求灵活选择。
质量管理需在可靠性、安全性、性能和成本间寻求平衡，以满足生产目标和市场需求。
3.7 电池检测
1. 检测理念（Fig. 6a）
全检：通过100%采样率实现逐个检测，防止不良电池流入后续环节。适用于成本较低的检测技术，如在线视觉检测，但高成本检测可能导致运营费用过高。
抽检：利用检测结果进行根因分析和缺陷率估算，适用于检测成本高昂的场景。假设生产问题集中在某些工序或设备，抽检可通过快速分析和反馈有效控制问题范围，但需确保缺陷不会长期存在。
2. 检测位置（Fig. 6b）
上游检测：靠近问题源头，可减少材料和时间浪费。
下游检测：接近成品状态，缺陷检出率较高。例如，电池在形成工艺后某些缺陷更容易显现。
生产外检测：生产商在出厂检测后，用户如EV制造商可能实施入库检测（IQC），以避免安全事件带来的声誉风险。
3. 检测技术（Fig. 6c）
理想检测方法特性：非破坏性、快速、高分辨率、覆盖全电池结构。
常用检测方法：
(1) 电化学方法：如泄漏电流、EIS和HiPot，可检测部分缺陷，但无法识别潜在缺陷，诊断能力有限且测试周期长。
(2) 破坏性方法：如解剖和切片分析，信息量丰富但耗时且劳动强度高。
(3) 光学成像：用于表面缺陷检测，但无法评估内部结构。
Fig. 6: Key considerations for designing a strategy for battery quality inspection.
4. 非破坏性成像技术对比（Fig. 7）
超声波检测（Fig. 7a）：显示电解液饱和度分布，可识别局部缺陷。
二维X射线检测（Fig. 7b）：适合整体评估，但无法解析材料叠加的内部结构。
三维X射线检测（Fig. 7c）：清晰分辨电极层、结构特征及电解液分布，为高质量电池检测提供深入洞察。
5. 数据管理与动态调整
数据作用：检测生成的数据可用于动态优化生产过程，帮助快速评估工艺变更对质量的影响，并在出现故障时追溯问题范围。
人工智能辅助：利用数据分析和异常检测工具可增强洞察能力。
6. 电池形态与质量可检测性
形态特点：圆柱、软包和棱柱形态分别具有不同的刚性、热机械梯度和检测难度。
检测依赖性：缺陷可能与能量密度或单体电池数量相关，形态优化需综合考虑缺陷发生概率和检测效率。
Fig. 7: Comparison of nondestructive, full-cell, spatially resolved techniques for evaluating battery quality.
4. 重要结论
1. 电池质量与性能的关系
随着全球电池需求的增长，确保高质量的电池生产至关重要。电池性能与质量密切相关，两者之间需要平衡，然而电池质量问题常常被低估，尽管其对全球电气化进程至关重要。
2. 行业质量管理的关键步骤
需要标准化电池故障模式并建立完整的测试库，以便高效解决质量问题。此外，开发建模工具和先进的质量表征技术，有助于快速评估大量电池并通过可操作的见解改善决策。
3. 行业合作与标准化
通过制定更强的质量与安全认证标准，防止伪劣电池流入市场，可以提升电池产品的信誉。全行业的合作对于确保电池质量至关重要，有助于增强投资者、监管机构和客户的信心。
4. 电池再利用与回收的影响
电池的质量应成为决定是否适合再利用的主要标准，而不仅仅是能量保持。开发具有成本效益的质量表征方法，能够使更多电池在二次使用中得到再利用，助力可持续发展。
5. 监管与安全考虑
随着电池安全法规的不断发展，像欧盟“电池护照”这样的措施将有助于整合质量标准。新的法规应在保障安全的同时，不阻碍创新，特别是应防止低质量电池进入市场，以降低安全风险并促进行业发展。
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