先進儲能電池智慧製造技術與設備

儲能推動能源轉型，電池製造成為新一代產業競爭焦點
從製程到智慧化，先進電池技術正全面改寫能源格局

　　先進儲能技術已成為推動能源轉型的重要支柱。無論是節能減排、再生能源併網、電網調節，或電動車等新興應用，儲能系統皆扮演核心角色。而電池作為儲能的主要載體，其安全性、品質一致性、能量效率與成本控制，直接決定產業能否持續發展。本書從產業需求出發，系統化整理先進儲能電池的大規模製造技術，呈現智慧工廠時代下電池產業的完整脈絡。

　　全書以「先進儲能電池智慧製造」為主軸，首先介紹儲能電池產業的現況、技術演變與設備發展趨勢，協助讀者掌握全球儲能市場的技術動能。隨後深入解析電芯製造體系，包括製造流程的建置、製程品質管理、良率提升方法、電池尺寸標準化以及面向未來的智慧製造模式，為製造端提供可操作的參考框架。

　　在工藝面，詳細說明儲能電池與固態電池的主要製程，包含塗布、輥壓、分切、堆疊、裝配、注液、化成分容等工序，並討論如何透過設備標準化與製程創新，提升整體穩定性與一致性。設備篇則逐項介紹不同製程所需的智慧化設備，解析其功能定位、設計要點與未來演進方向，內容涵蓋製漿、塗布、乾燥、注液到化成分容等關鍵設備模組。

　　面對數位化浪潮，內文也提出完整的智慧製造架構，包括製造後設資料建置、異質資料整合、工業互聯網、製程追溯體系、品質資料循環、設備健康管理、預測性維護與微服務應用等，協助讀者理解如何以數據驅動製造決策，打造具備高敏捷度與高可靠性的數位工廠。

　　環境控制、汙染管理與製程監控亦是電池工廠的重要環節。書中清楚說明各類環境因子（溼度、潔淨度、粉塵等）的影響與控制策略，並解析電池製造過程的汙染來源與監測方法。針對缺陷檢測，則以量測技術為核心，介紹從極片外觀、尺寸檢測，到電芯內部結構監測等多元設備與評估方法，協助建立完整的品質檢測鏈。

　　此外，本書專章討論製造安全與能源消耗管理，包括電池安全風險來源、製造安全管控體系、能源用量分析、能耗標準、能效評估方法與能源監測機制，全面涵蓋電池工廠在安全與節能方面的實務需求。

　　最後，從工廠建設角度切入，說明儲能電池智慧工廠的建置原則、整合方法、製造品質優化策略與周邊輔助系統配置，提供從零到一打造儲能電池工廠的整體藍圖。

　　本書兼具產業高度與工程深度，適合作為儲能、動力電池產業工程師、設備開發者、製造管理人員的實務參考；對儲能科學、電化學、能源工程等相關領域的學生與研究者，也具有重要的學習價值。

<序>

1.1 概述

　　能源是人類文明進步的基礎與動力，與經濟發展、民生福祉及國家安全密切相關。能源的穩定供應與合理利用，對促進社會繁榮與永續發展至關重要。

　　進入二十一世紀以來，全球能源格局正經歷深刻變化。氣候變遷、環境風險與資源限制成為各國共同面對的挑戰。各國紛紛推動能源轉型，發展清潔能源與高效儲能技術，以兼顧經濟成長與生態永續。以儲能技術為核心的新興能源體系，正逐步從「自然供給」轉向「製造供給」的創新模式。

　　近年來，全球減碳行動加速推進。多國設定碳排放峰值與碳中和時程，推動能源結構由化石燃料走向綠色低碳，並以技術創新驅動產業升級。高效能源管理與可再生能源應用，成為新時代能源發展的重要方向。

　　隨著經濟活動與交通運輸的快速成長，能源消耗與空氣汙染問題日益嚴重。降低汽車燃油依賴、減少廢氣與懸浮微粒排放，已是全球能源與環境治理的重要課題。新能源汽車的興起，正是應對能源短缺與環境汙染的關鍵解方之一。其不僅有助於改善空氣品質，也推動汽車產業邁向智慧化、電動化與永續化。

　　儲能技術則是新能源發展的核心基礎。電池作為主要的儲能載體，其安全性、能量密度、製造效率與成本控制，直接影響新能源產業的發展速度。未來，先進儲能電池市場的需求將達到兆級規模。如何以高品質、高效率、低成本、安全可靠的方式進行規模化生產，將成為推動綠色能源革命的關鍵。

　　本書立足於儲能與新能源的技術發展趨勢，總結相關研究與製造經驗，旨在為先進儲能電池的高品質、大規模與低成本製造提供理論依據與實務參考，並展望其在全球能源轉型中的應用前景。

<內容連載>

4.1.1  製漿工藝介紹
4.1.1.1  製漿工藝的重要性
 
　　鋰離子電池的效能上限是由所採用的化學體系（正極活性物質、負極活性物質、電解液）決定的，而實際的效能表現關鍵取決於極片的個體結構，而極片的個體結構主要是由漿料的個體結構和塗布過程決定的，這其中漿料的個體結構占主導。因此有個廣泛認可的說法是在製造工藝對鋰離子電池效能的影響中，前段工序的影響至少占70％，而前段工序中製漿工序的影響至少占70％，也就是說，製漿工序的影響約占一半。
 
4.1.1.2  漿料的組成及各組分的理想分散狀態
 
　　鋰離子電池的電極材料包括活性物質、導電劑和黏結劑三種主要成分，其中活性物質占總重的絕大部分，一般在90％～98％之間，導電劑和黏結劑的占比較小，一般在1％～5％之間。這幾種主要成分的物理性質和尺寸相差很大，其中活性物質的顆粒一般在1～20μm之間，而導電劑絕大部分是奈米碳材料，如常用的炭黑的一次粒子直徑只有幾十奈米，碳奈米管的直徑一般在30nm以下，黏結劑則是高分子材料，有溶於溶劑的，也有在溶劑中形成微乳液的。
 
　　鋰離子電池的電極需要實現良好的電子傳輸和離子傳輸，從而要求電極中活性物質、導電劑和黏結劑的分布狀態滿足一定的要求。電極中各材料的理想分布狀態，即活性物質充分分散，導電劑充分分散並與活性物質充分接觸，形成良好的電子導電網路，黏結劑均勻分布在電極中並將活性物質和導電劑黏接起來使電極成為整體。
 
　　為了得到符合上述要求的極片個體結構，需要在製漿工序中得到具有相應個體結構的漿料。也就是說，漿料中活性物質、導電劑和黏結劑都必須充分分散，且導電劑與活性物質之間、黏結劑與導電劑/活性物質之間需要形成良好的結合，而且漿料中各組分的分散狀態必須是穩定的。漿料實際上是固體顆粒懸浮在液體中形成的懸浮液，懸浮液中顆粒之間存在著多種作用力，其中由凡得瓦力形成的顆粒之間的吸引力是顆粒團聚的主要原因，要防止這種團聚，需要使顆粒之間具有一定的斥力。常見的斥力包括靜電斥力和高分子鍊形成的空間位阻。描述膠體分散液穩定性的一個經典理論是DLVO理論
（Deryaguin-Landau-Verwey-overbeek theory），它考慮了雙電層靜電斥力和凡得瓦引力的綜合作用，在一定距離上由靜電斥力和凡得瓦力構成的總能量會達到一個極大值Gmax，這個極大值形成了一個能壘，能夠防止顆粒之間進一步接近形成硬團聚（gprimary）。
 
　　在鋰離子電池漿料中，黏結劑的分子鏈吸附在顆粒表面所形成的空間位阻對於漿料的穩定性有非常重要的作用。當黏結劑分子吸附在顆粒表面上形成吸附層後，兩個顆粒表面的吸附層相互靠近時，由於空間位阻會產生相互作用能，空間位阻作用力與雙電層斥力以及凡得瓦引力一起構成了顆粒之間總的相互作用能。
 
　　因此，要防止漿料中的顆粒出現團聚，就需要讓黏結劑的高分子鏈吸附到顆粒表面，形成一定的空間位阻，使得漿料的分散狀態能夠長時間保持穩定。
 
4.1.1.3  製漿的個體過程
 
　　鋰離子電池的製漿過程就是將活性物質和導電劑均勻分散到溶劑中，並且在黏結劑分子鏈的作用下形成穩定的漿料，從個體上看，其過程通常包括潤溼、分散和穩定化三個主要階段。
 
　　潤溼階段是使溶劑與粒子表面充分接觸的過程，也是將粒子團聚體中的空氣排出，並由溶劑來取代的過程，這個過程的快慢和效果一方面取決於粒子表面與溶劑的親和性，另一方面與製漿設備及工藝密切相關。分散階段則是將粒子團聚體打開的過程，這個過程的快慢和效果一方面與粒子的粒徑、比表面積、粒子之間的相互作用力等材料特性有關，另一方面與分散強度及分散工藝密切相關。穩定化階段是高分子鏈吸附到粒子表面上，防止粒子之間再次發生團聚的過程，這個過程的快慢和效果一方面取決於材料特性和配方，另一方面與製漿設備及工藝密切相關。需要特別指出的是，在整個製漿過程中，並非所有物料都是按上述三個階段同步進行的，而是會有漿料的不同部分處於不同階段的情況，比如一部分漿料已經進入穩定化階段，另一部分漿料還處於潤溼階段，這種情況實際上是普遍存在的，這也是造成製漿過程複雜性高、不易控制的原因之一。

4.1.1.4  漿料的分散設備和工藝
 
　　用於漿料分散的設備主要包括兩大類，一類是利用流體運動產生的剪下力對顆粒團聚體進行分散的設備，包括採用各種類型攪拌槳的攪拌機、捏合機，還包括三軸研磨機和盤式研磨機等，另一類是利用研磨珠對顆粒團聚體進行衝擊從而達到分散效果的設備，主要包括攪拌磨等。當然還有一些比較特殊的分散設備，比如超音波分散機是利用超音波產生的空化和瞬間的微射流來對顆粒團聚體進行分散的。
 
　　以上這些分散設備並非都適用於鋰離子電池的製漿，比如採用研磨珠的攪拌磨由於研磨珠產生的衝擊力很大，容易破壞一些正負極活性物質表面的包覆層，甚至有可能將活性物質打碎，因而很少被用於鋰離子電池的製漿；超音波分散設備並不適用於高固含量、高黏度的漿料，而鋰離子電池的漿料恰恰是高固含量（正極漿料可達60％～80％，負極漿料可達40％～60％）和高黏度（20～200Pa．s）的，並不適合用超音波分散機來進行分散。因此，實際上用於鋰離子電池製漿的設備都屬於用流體運動產生的剪下力來進行分散的類型，包括攪拌機、捏合機等，其中最典型的設備就是雙行星攪拌機，其構造和原理將在第4.1.2小節詳細介紹。
 
　　製漿工藝對於鋰離子電池漿料的效能影響也很大，最典型的是採用不同的加料順序所得到的漿料效能可以有很大不同。如有文獻報導採用兩種不同的加料順序來製備鎳-鈷-錳三元正極材料的漿料，所得到的漿料特性和電極效能相差很大。第二種加料順序所得到的漿料固含量更高，且電極的剝離強度和電導率都要高很多，其原因在於導電劑與主材先進行乾混能夠讓導電劑包覆在主材表面，減少了游離的導電劑，結果是一方面降低了漿料的黏度，另一方面減少了乾燥後導電劑的團聚，有利於形成良好的導電網路。
 
　　目前鋰電行業常用的製漿工藝有兩大類，分別稱為溼法工藝和乾法工藝，其區別主要在於製漿前期漿料固含量的高低，溼法工藝前期的漿料固含量較低，而乾法工藝前期的漿料固含量較高。
溼法製漿的工藝流程是先將導電劑和黏結劑進行混合攪拌，充分分散後再加入活性物質進行充分的攪拌分散，最後加入適量溶劑進行黏度的調整以適合塗布。黏結劑的狀態主要有粉末狀和溶液狀，先將黏結劑製成膠液有利於黏結劑的作用發揮，但也有公司直接採用粉末狀的黏結劑。需要指出的是當黏結劑的分子量大且顆粒較大時，黏結劑的溶解需要較長的時間，先將黏結劑製成膠液是必要的。
 
　　乾法製漿的工藝流程是先將活物質、導電劑等粉末物質進行預混合，之後加入部分黏結劑溶液或溶劑，進行高固含量高黏度狀態下的攪拌（捏合），然後逐步加入剩餘的黏結劑溶液或溶劑進行稀釋和分散，最後加入適量溶劑進行黏度的調整以適合塗布。乾法製漿工藝的特點是製漿前期要在高固含量、高黏度狀態下進行混合分散（捏合），此時物料處於黏稠的泥漿狀，攪拌槳施加的機械力很強，同時顆粒之間也會有很強的內摩擦力，能夠顯著促進顆粒的潤溼和分散，達到較高的分散程度。因此，乾法製漿工藝能夠縮短製漿時間，且得到的漿料黏度較低，與溼法製漿工藝相比可以得到更高固含量的漿料。但乾法製漿工藝中物料的最佳狀態較難掌控，當原材料的粒徑、比表面積等物性發生變化時，需要調整中間過程的固含量等工藝引數才能達到最佳的分散狀態，會影響到生產效率和批次間的一致性。