全面質量管理在新能源電池行業(yè)的應用實踐

陳海東

（深圳市合豐嘉大科技有限公司，廣東深圳 518000）

目前，由于全球范圍內對可再生能源發(fā)電的推進和化石燃料的使用以減少CO2排放，推動了新能源電池的使用和發(fā)展，隨著鋰離子電池技術的進步，新能源電池已成為可持續(xù)發(fā)展能源的重要選擇。全球范圍內關于新能源電池的研究工作正在不斷增加，未來的研究和工業(yè)發(fā)展將離不開新能源這一概念。對于新能源電池行業(yè)來說，全面質量管理正成為該行業(yè)進步和發(fā)展的新一輪助力點[1]。

1 新能源電池行業(yè)發(fā)展現狀

為了滿足用戶的需求以及保護環(huán)境的要求，新能源電池行業(yè)企業(yè)需要大力發(fā)展新能源技術。可以說，新能源技術的應用將會對電池業(yè)的發(fā)展產生巨大的影響。

可再生能源，如水力發(fā)電、光伏發(fā)電和風力發(fā)電，已成為解決石油枯竭、能源需求增加和人為全球變暖等相關問題的最廣泛應用的解決方案。太陽能和風能依賴于具有間歇性和波動性特征的天氣資源，所以，電池儲能系統(tǒng)應運而生，成為被廣泛接受的解決方案之一。其具有快速響應能力、持續(xù)的電力傳輸等優(yōu)勢。在電池儲能系統(tǒng)中，最關鍵的問題是確定電池的大小、能量來源、制造材料等，以滿足電池的技術改進需要，以及平衡原因技術改進耗費的人力物力成本。許多企業(yè)和研究所已經通過一系列的標準和方法來優(yōu)化不同的新能源電池。各地政府已經啟動了有關可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略和激勵措施的政策。此外，預計到2025年，太陽能光伏和陸上風能的價格將分別下降43%和26%[2]。

1.1 新能源電池的開發(fā)難點

盡管可再生能源具有環(huán)境優(yōu)勢和可持續(xù)性，但在其中應用于新能源電池時仍存在兩個主要問題。①可再生能源的生產強烈地依賴于當地的天氣和氣候條件。不可調度的可再生能源的間歇性和隨機性會給新能源電池行業(yè)帶來不確定性。②隨著可再生能源普及率的增加，現有的常規(guī)電力系統(tǒng)更難適應可再生能源發(fā)電量的增加。

以鋰硫電池為例，鋰硫電池面臨的重大關鍵挑戰(zhàn)主要來自以下因素：①硫和硫化鋰的電子和離子絕緣性質，可能導致活性物質的不良使用和放電容量的限制。②中間體多硫化鋰在電解質中的溶解。再循環(huán)過程中，長鏈鋰多硫化物中間體（Li2S4到Li2S8）高度溶于甘氨基和二惡烷溶劑。這些中間體可以在陰極和陽極之間自由遷移，導致穿梭現象，活性物質持續(xù)損失，導致放電容量低，容量快速衰退。同時，硫和聚硫化物在充電后或在靜息狀態(tài)下在電解質中緩慢溶解，會引起較強的自放電行為。③由于硫和硫化鋰之間的密度差異導致陰極循環(huán)的大體積變化。這可能會導致電極的粉碎和結構損傷。④金屬鋰離子的不均勻固體電解質界面和枝晶生長，導致可逆性差，庫侖效率低，甚至更嚴重的內部短路，導致安全問題。

1.2 現有的新能源電池種類

目前市面上較為常用和常見的新能源電池主要是鋰硫、鋰氧及相應的基于金屬鋰負極的全固態(tài)電池。在新型儲能技術的探索中，基于鋰和硫的鋰硫電池由于2500 Wh/kg 或2800 Wh/L 的高理論能量密度而受到了極大的關注。此外，硫的含量相對便宜，是地殼中最豐富的元素之一，這使得鋰離子電池成為一種很有吸引力和低成本的儲能技術。

作為可充電電池評估中最重要的特性之一，能量密度的提高主要推動了整個電化學儲能系統(tǒng)從鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池到鋰離子電池的發(fā)展。在過去的鋰離子電池中，可充電鋰離子電池的高能量密度改變了便攜式電子的現狀。然而，即使在完全開發(fā)時，鋰離子電池所提供的最高能量密度仍不能滿足市場的長期需求。因為可充電電池的能量密度是由陽極和陰極的比容量和工作電壓決定的，所以需要研究不同于鋰離子系統(tǒng)的新的電化學和技術，以實現儲能的階梯式變化。因此，鋰硫和鋰電池以及相應的所有基于金屬鋰陽極的固態(tài)電池在目前受到了相當大的關注。鋰電池的陰極反應與鋰離子電池的插層機理有根本的不同硫和氧的可逆還原。

1.3 新能源電池發(fā)展方向和要求

不同類型的新能源電池性能存在較大的差異，對于鋰硫電池來說，鑒于硫的電子絕緣性和多硫化物鋰在電解質中的溶解，一種典型的策略也是將硫與導電主體材料封裝，以提高電導率，并將多硫化物鋰限制在主體內。將元素硫填充成多孔導電碳材料是早期的主要方向。由于納米技術的發(fā)展，各種碳材料被用作硫的載體，例如一維碳納米管和納米纖維、二維石墨烯、中孔碳和微孔碳以及它們的混合物。其核心思想是通過調節(jié)孔隙結構和孔隙分布，使元素硫在宿主表面高度分散，從而促進電子和離子傳導，并通過物理俘獲限制多硫化物的溶解。對于鋰氧電池來說，未來可以進一步研究主要產物和副產物的電化學反應過程及其生成和分解機理。了解空氣電極的電流密度、充放電的反應過程如何影響主產品Li2O2的形態(tài)、尺寸和覆蓋范圍，探索空氣電極上副產品Li2CO3的結構、分布和生長機制，指導我們開發(fā)新的空氣電極材料，減少副產品的產生，提高電池系統(tǒng)的往返效率。

2 全面質量管理的含義

全面質量管理是20世紀80年代初提出的一種管理方法，旨在提高商業(yè)企業(yè)的質量和生產力。20世紀90年代，全面質量管理在企業(yè)中廣受歡迎，這些企業(yè)開始采用這種注重客戶滿意度和提高企業(yè)績效的管理理念。在全面質量管理相關的研究文獻中，大多數公司認為全面質量管理和績效之間存在正相關關系，但一些公司的經營狀態(tài)并未反映出這一特點。全面質量管理無法成功得到實踐運用，原因可能在于工作人員并未能深入參與到各種業(yè)務流程中，并被培訓成為更稱職的企業(yè)員工。

另外，高級管理人員面臨的挑戰(zhàn)是培養(yǎng)一種支持質量控制和管理理念的組織文化。針對新能源電池行業(yè)來說，目前除了一些頭部企業(yè)正在研發(fā)自主前沿的新能源電池，一些致力于新能源電池領域的中小企業(yè)的組織結構平面化，部門接口較少，但這也通常使得工作環(huán)境更加靈活。新能源電池行業(yè)屬于制造業(yè)的一種，這些制造業(yè)的中小企業(yè)所雇用的工人通常綜合素質水平并不十分高，這也容易影響了全面質量管理實施的程度。

制造業(yè)的全面質量管理實踐是資源密集型的，并在長期的實踐中產生和反映出富有成效的結果。

3 全面質量管理在新能源電池行業(yè)的應用案例

為充分說明全面質量管理在新能源電池行業(yè)的有效性和重要性，文中以萬向一二三新能源電池企業(yè)萬向123為例進行闡述。萬向123的前身是A123，于2001年在麻省理工學院成立。2016年，萬向123在捷克共和國開設了一家工廠，為不斷增長的歐洲市場提供服務。其客戶包括戴姆勒-奔馳、保時捷、捷豹-路虎和其他歐洲主流汽車公司。

在深入實施全面質量管理之前，公司缺乏與供應商協(xié)同管控來料質量的渠道；供應商對品質管控的步伐跟不上，致使來料質量問題較多，無法排除潛在風險；質量整改執(zhí)行力不夠，任務顆粒度粗，可追溯性差，致使同類問題重復發(fā)生。在實施全面質量管理之后，萬向123企業(yè)與供應商協(xié)同管控來料質量的信息平臺，幫助供應商建立“有問題先自查”的質量管控方法，實時了解自己的產品質量；樹立供應商的質量責任意識，減少質量問題的推諉和埋怨；全面提升企業(yè)對產品質量的監(jiān)控能力，“一切讓數據說話”。

4 全面質量管理中的有效案例——以電暈機為例

4.1 電暈機簡介

電暈機常用來解決印刷掉色，材料粘接不牢固，涂布脫膠不均勻，顏色不飽滿、印不上去等問題，都是由于附著力達不到要求造成的。解決的辦法是提高材料的表面附著力，從而很好地解決這些問題?，F在流行的辦法是采用電暈進行表面處理，可提高材料表面附著力。粗化材料表面，提高材料表面張力，使油墨、膠水和涂料更好地粘接到處理過的材料表面；與此同時，電暈過程中產生的臭氧可改變材料表面的分子結構，使其由非極性轉變?yōu)闃O性。印刷能長期保證色彩飽滿，畫面清潔，從而達到理想的印刷和粘接效果。

4.2 箔材除油的原理

電暈處理的原理主要是通過在放電極與電暈處理輥（一般為鋁輥、不銹鋼輥、噴陶瓷輥）之間施加高頻、高壓電源（高頻交流電壓高達5 000～15 000 V/m2），當電壓超過1～2 mm 的空氣間隙的電離電阻時，就會產生連續(xù)放電，沖擊鋁材表面，使箔材表面軋機油鏈狀分子斷裂，在電暈機產生的溫度作用下表面油層揮發(fā)，通過風機排出，從而達到箔材表面除油的效果，使鋁材的表面張力得到進一步的提高，最終改善表面涂覆的牢度。

整個電暈機系統(tǒng)以及連接示意圖如圖1所示。

圖1 電暈機連接示意圖

其中，主機的任務是提供能量。電源電壓經過整流，借助濾波器、扼流圈平滑、IGBT 等對該直流電壓進行斬波，以產生頻率范圍在20～40 kHz 之間的接近矩形的電壓?？梢院唵瓮ㄟ^修改受控整流器上的相位控制角，來影響輸出功率。另外，高壓變壓器將主機的功率傳輸至放電架，產生所需的高壓，由此實現電暈過程。電暈放電架為高壓輸出端，也是和材料接觸位置，主要由接地的反壓輥和一個或多個通過陶瓷絕緣的高壓電極組成。此外，風機的任務一方面是排除放電時產生的臭氧，另一方面冷卻高壓電極，避免溫度過高而損壞。

使用電暈機進行現場實施的示意圖如圖2所示。

圖2 電暈機現場實施圖

4.3 電暈機在新能源行業(yè)的作用和意義

深圳市合豐嘉大科技有限公司主營的電暈機具有較高的機械性能，為展示電暈機性能特點，進行了不同條件下的箔材衰減試驗。圖3可反不同試驗條件下箔材衰減的情況。

圖3 箔材衰減統(tǒng)計

綜合而言，電暈機能夠助力新能源電池行業(yè)解決底涂過程中因材料油污問題導致的產品質量不穩(wěn)定問題。相比酸堿洗的傳統(tǒng)工藝，電暈機鋁箔除油更加環(huán)保，工藝參數也更加可控，為新能源電池行業(yè)提供了一個全新的可選方案。

5 結束語

隨著我國社會經濟的快速發(fā)展以及各領域學科交融現象的深化，新能源電池行業(yè)的發(fā)展勢頭不斷向好。新能源電池行業(yè)為我們提供了更加環(huán)保和可持續(xù)的能源解決方案，為制造業(yè)、材料工業(yè)等領域發(fā)揮了巨大的作用。作為新能源電池行業(yè)中必不可少的電暈機這一機械設備，其可以處理各種均質薄膜材料。如塑料薄膜、金屬板、金屬薄膜、真空鍍鋁薄膜等。對于各種異形件比如電子元器件，電暈機也能發(fā)揮巨大作用。對于一個新能源電池企業(yè)來說，以電暈機制造為例，全面質量管理能夠有效提升企業(yè)活力，優(yōu)化產品的性能，為其可持續(xù)發(fā)展奠定堅持的基礎。