鋰離子電池設(shè)計階段的質(zhì)量管理

賴美珍，周軍，項良順*，相佳媛

（1.杭州南都動力科技有限公司，浙江 杭州 311199；2.浙江南都電源動力股份有限公司，浙江 杭州 311300）

近年來，在國家“雙碳”目標的引領(lǐng)下，新能源行業(yè)蓬勃發(fā)展。鋰離子電池作為一種重要的綠色能源，在電動汽車、通信基站、儲能電站、數(shù)據(jù)中心、民用動力等領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用。在新能源汽車中，鋰離子電池為汽車提供動力，鋰離子電池的質(zhì)量關(guān)系到整車的安全。在高能量密度和低成本的需求驅(qū)動下，鋰離子電池安全事故時有報道[1-5]，相關(guān)研究大都聚焦在電池制造的質(zhì)量管理[6-10]。從鋰離子電池研發(fā)人員的角度，結(jié)合鋰離子電池全生命周期以及應(yīng)用實踐展開的質(zhì)量管理文獻報道較少。

本文運用質(zhì)量管理理論，結(jié)合作者多年的電池開發(fā)實踐，對關(guān)鍵的鋰離子電池設(shè)計階段的質(zhì)量管理進行闡述，以期達到提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本的目的，提升我國新能源電池的質(zhì)量和市場競爭力。

1 電池設(shè)計階段質(zhì)量管理的意義

設(shè)計階段的質(zhì)量影響最終成品電池的固有性能和成本，并且傳遞到產(chǎn)品制造和后期使用過程。鋰離子電池的開發(fā)，一般經(jīng)歷立項、設(shè)計、小試、批試和量產(chǎn)等幾個階段。其中，立項和設(shè)計階段的固定成本相對較低，只需要投入策劃人員。小試和批試階段成本較高，需要導(dǎo)入生產(chǎn)線及工裝模具等固定資產(chǎn)，同時，還需要配備試制物料。圖1 為鋰離子電池開發(fā)質(zhì)量杠桿圖，在整個產(chǎn)品開發(fā)的生命周期中，問題越在早期解決，需要付出的代價越小，越到后期，糾偏浪費的各種資源越多。因此，鋰離子電池設(shè)計階段的質(zhì)量管理，可以最高效地節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)成本。

圖1 鋰離子電池開發(fā)質(zhì)量杠桿圖

項目最大的不確定性往往是在項目早期，對早期階段的高質(zhì)量要求，是項目順利開展的前提。事實上，對于一款新的電芯開發(fā)，由于設(shè)計質(zhì)量不佳導(dǎo)致的項目進度延期、開發(fā)資源浪費經(jīng)常發(fā)生。設(shè)計階段的質(zhì)量管理，通過對產(chǎn)品開發(fā)的目標、方案、進度和風(fēng)險等進行系統(tǒng)管控，提升產(chǎn)品的交付質(zhì)量，是電池廠商產(chǎn)品質(zhì)量保證的基石。

2 電池設(shè)計階段質(zhì)量管理的實施

2.1 對目標的質(zhì)量管理

產(chǎn)品的開發(fā)目標是客戶需求的具體體現(xiàn)，正確和全面地識別客戶需求是設(shè)計目標質(zhì)量管理的關(guān)鍵。然而，客戶的需求往往不容易收集，一方面是需求來源的相關(guān)方有偏差，因為研發(fā)人員收到的電芯的需求通常由項目經(jīng)理傳達；另一方面是客戶也可能未表達清楚真實需求，因為客戶的描述方式不一定能完全正確地轉(zhuǎn)化為研發(fā)人員需要的技術(shù)指標。

挖掘客戶的真實需求可以采取以下方式：（1）頭腦風(fēng)暴、小組會議，組織相關(guān)方進行焦點討論，以防需求的缺漏和偏差；（2）競品分析、行業(yè)對標，鋰離子電池的設(shè)計目標主要涉及電池尺寸（結(jié)構(gòu)）、性能和成本等，這些指標可以結(jié)合行業(yè)標桿產(chǎn)品進行確定，以便產(chǎn)品有高的附加值和競爭力。

對目標的質(zhì)量管理，除了上述的識別正確和全面，還應(yīng)該符合以下五個維度的目標管理原則：（1）具體的（目標必須清晰明確）；（2）可衡量（能數(shù)量化，驗證這些績效指標的數(shù)據(jù)是可以獲得的，且能夠給出明確判斷的）；（3）可實現(xiàn)（目標應(yīng)該是可達到的，避免設(shè)立過高的目標）；（4）相關(guān)的（目標必須與其他目標具有一定的相關(guān)性）；（5）有時間節(jié)點（目標必須具有明確的截止期限）。圖2 為某款戶外移動儲能電芯的開發(fā)目標。只有反復(fù)溝通、明確設(shè)計目標，才能減少目標的變更，提升項目開發(fā)質(zhì)量。

圖2 鋰離子電池目標制定輸出的表單

2.2 對方案的質(zhì)量管理

在確定鋰離子電池設(shè)計目標后，需要進行項目設(shè)計方案的準備。該階段的質(zhì)量管理主要是對設(shè)計方案的可行性進行評估。為了提升設(shè)計方案的質(zhì)量，可以根據(jù)產(chǎn)品功能和性能的要求采用質(zhì)量功能展開（quality function deployment，QFD）[11]的方法進行設(shè)計方案的制定。QFD 是一種客戶需求驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)理論，將提取的用戶需求轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品開發(fā)各個階段的對應(yīng)技術(shù)需求信息，達到圍繞客戶需求調(diào)整產(chǎn)品開發(fā)方案的目的，從而提高新產(chǎn)品開發(fā)的成功率。此外，還要結(jié)合類似產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)資料、法律法規(guī)、標準和行業(yè)規(guī)范等。

高質(zhì)量的設(shè)計方案首先要滿足可制造性，在互聯(lián)網(wǎng)時代下的鋰電行業(yè)，原材料價格信息透明，提升制造良率可有效增加公司利潤，因此，面向可制造的設(shè)計方案尤其重要。其次，方案中的電池體系、配方、技術(shù)參數(shù)等工程規(guī)格需要滿足電池可靠性要求，這個階段應(yīng)采用設(shè)計失效模式及后果分析方法（design failure mode and effects analysis，DFMEA），針對某些功能失效的影響后果確定其潛在失效模式，一般每種失效影響會對應(yīng)多種失效模式；失效的潛在起因是針對失效模式而言的，其導(dǎo)致的后果就是失效模式，同時又是后面提出建議和糾正措施的依據(jù)；而失效根本原因的挖掘是為了能有效地制定相應(yīng)的故障預(yù)防措施。圖3 是運用DFMEA 方法分析鋰離子電池容量和功率損失[12-19]。

圖3 鋰離子電池容量和功率衰減失效分析

方案的確定還可以采用全面質(zhì)量管理學(xué)中PDCA[20]循環(huán)思想，其中P 階段是策劃階段，該階段的主要工作是改進機會的識別，制定改進目標以及達到這些目標的措施和方法；D 階段是實施階段，主要任務(wù)是實施改進計劃；C 階段是檢查階段，質(zhì)量改進追求效果，而改進的效果需要檢查分析才能做出判斷；A 階段是處理階段，這個階段主要進行經(jīng)驗總結(jié)，鞏固改進效果以及將遺留問題轉(zhuǎn)入下一個循環(huán)。設(shè)計方案不是僅靠一次工作循環(huán)就可以完成，而是需要經(jīng)過多次循環(huán)，不斷改迸。在這個過程，考慮電池全生命周期，明確主要失效模式，反哺設(shè)計方案，也可以為產(chǎn)品和過程特殊特性清單的制定提供依據(jù)。如圖4所示，分析循環(huán)后期的磷酸鐵鋰電池體系，失效模式主要為負極固體電解質(zhì)界面（SEI）膜的增厚消耗活性鋰離子以及石墨材料的克容量損失?；谏鲜鲅邪l(fā)經(jīng)驗，提升設(shè)計方案的質(zhì)量，可以重點管控設(shè)計方案中關(guān)于SEI 膜性能優(yōu)化和石墨材料的循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)化。

圖4 磷酸鐵鋰電芯循環(huán)失效模式定量分析

2.3 對進度的質(zhì)量管理

目標和方案確定后，設(shè)計階段需要制定后續(xù)各項活動的時間進度，使整個開發(fā)過程在受控狀態(tài)下進行。設(shè)計階段進度的質(zhì)量管理，主要考慮進度里程碑節(jié)點設(shè)置是否合理，相應(yīng)節(jié)點下輸出的項目資料是否完善。常見引發(fā)進度問題的原因有：目標和方案頻繁變更、進度延誤、項目混亂；跨部門考核機制不完善、溝通困難、項目推進緩慢。進度的質(zhì)量管理最佳實踐包括：（1）根據(jù)溝通計劃，與項目相關(guān)人員進行有效溝通；（2）嚴格監(jiān)控項目進度，提前預(yù)警、及時糾偏；（3）重點跟蹤監(jiān)控高風(fēng)險任務(wù)，并采取防范措施。

此外，在進度的制定上，明確關(guān)鍵路徑即耗時最長的任務(wù)，良好的進度管理是向關(guān)鍵路徑要時間、向非關(guān)鍵路徑要資源。鋰離子電池的開發(fā)，關(guān)鍵路徑有物料采購（新型物料需要供應(yīng)商開模）、新產(chǎn)品試制調(diào)試、產(chǎn)品測試（儲存和循環(huán)等可靠性測試周期長）等，在這些關(guān)鍵路徑的進度管理上要明確真正的資源日歷，而不是簡單的自然日歷去推算。

將進度做到可視化，可以提高進度管理質(zhì)量。甘特圖是將任務(wù)列表和時間周期可視化的較好的工具，通過活動列表和時間刻度表示出特定項目的順序與持續(xù)時間，一條線條圖，橫軸表示時間，縱軸表示項目，線條表示期間計劃和實際完成情況，直觀表明計劃何時進行、進展與要求的對比。

2.4 對風(fēng)險的質(zhì)量管理

項目不同階段會有不同的風(fēng)險，隨著項目的進行，不確定性隨之減少。設(shè)計階段是項目的早期階段，風(fēng)險是不可避免的，關(guān)鍵在于對風(fēng)險進行識別和管理。鋰離子電池開發(fā)設(shè)計階段的風(fēng)險分類有外部不可預(yù)測的風(fēng)險（客戶需求變更）、內(nèi)部非技術(shù)風(fēng)險（進度拖延、成本超支、管理問題等）、技術(shù)風(fēng)險（現(xiàn)有設(shè)計下電池性能不足）、工藝風(fēng)險（新型制備工藝）、法律風(fēng)險（專利侵權(quán)）等。

對風(fēng)險進行識別后，首先實施風(fēng)險定性分析，即分析風(fēng)險發(fā)生概率及風(fēng)險帶來的影響，對風(fēng)險的影響進行評級；其次，規(guī)劃風(fēng)險應(yīng)對策略，應(yīng)對策略有規(guī)避、轉(zhuǎn)移、減輕、接受等；最后進行風(fēng)險監(jiān)控，執(zhí)行風(fēng)險應(yīng)對計劃，細化到責(zé)任人和完成時間節(jié)點，有識別有跟蹤才能做到有效的風(fēng)險管理。

在鋰離子電池設(shè)計階段的風(fēng)險應(yīng)對策略主要有規(guī)避和減輕，如圖5所示，在鋰離子電池可靠性設(shè)計時，從材料體系設(shè)計和電芯參數(shù)設(shè)計上進行規(guī)避或者減輕風(fēng)險。

圖5 鋰離子電池可靠性設(shè)計風(fēng)險規(guī)避（減輕）措施

3 結(jié)語

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)和儲能領(lǐng)域的大規(guī)模發(fā)展，鋰離子電池行業(yè)迎來了前所未有的機遇，同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，提升鋰離子電池的質(zhì)量是提升其市場競爭力的必經(jīng)之路。本文首先從質(zhì)量杠桿的角度論述了設(shè)計階段質(zhì)量管理的重要性，設(shè)計階段的質(zhì)量管理可以最高效地節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)成本。其次，結(jié)合“SMART”目標管理原則、QFD 方法、DFMEA、PDCA 循環(huán)思想等質(zhì)量管理理論對設(shè)計階段目標、方案、進度、風(fēng)險進行質(zhì)量管理的實施；同時，根據(jù)鋰離子電池開發(fā)實踐經(jīng)驗，提出對方案制定和風(fēng)險管控上的質(zhì)量提升建議。

如今，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的急劇擴張、產(chǎn)能的迅速釋放、對產(chǎn)品成本的極致壓縮等，導(dǎo)致鋰離子電池質(zhì)量良莠不齊。因此，進一步改進鋰離子電池質(zhì)量是十分必要的；設(shè)計階段是鋰離子電池開發(fā)過程的基礎(chǔ)，研究設(shè)計階段的質(zhì)量管理極具意義。

結(jié)合上述對鋰離子電池開發(fā)過程中設(shè)計階段的質(zhì)量管理論述，提出對行業(yè)未來設(shè)計階段質(zhì)量提升的建議：一是鋰離子電池企業(yè)加強設(shè)計階段的重視程度，產(chǎn)品目標的制定必須從應(yīng)用的角度出發(fā)，立足鋰離子電池全生命周期的可靠性設(shè)計，提高產(chǎn)品的性能底線；二是從微觀結(jié)構(gòu)、宏觀尺度，從電芯本體、模組層級等多維度系統(tǒng)解析鋰離子電池的失效特征，深入研究不同時空、工況條件下鋰離子電池健康安全狀態(tài)和電化學(xué)性能失效機制，為產(chǎn)品的設(shè)計方案提供理論依據(jù)；三是在競爭日益激烈的市場環(huán)境下，鋰離子電池行業(yè)同質(zhì)化現(xiàn)象已越發(fā)明顯，避免同質(zhì)化需要企業(yè)強化技術(shù)創(chuàng)新能力，在產(chǎn)品設(shè)計階段，不斷追求產(chǎn)品和服務(wù)的本質(zhì)創(chuàng)新。