锂离子电池设计阶段的质量管理

赖美珍，周军，项良顺*，相佳媛

（1.杭州南都动力科技有限公司，浙江 杭州 311199；2.浙江南都电源动力股份有限公司，浙江 杭州 311300）

近年来，在国家“双碳”目标的引领下，新能源行业蓬勃发展。锂离子电池作为一种重要的绿色能源，在电动汽车、通信基站、储能电站、数据中心、民用动力等领域得到大规模应用。在新能源汽车中，锂离子电池为汽车提供动力，锂离子电池的质量关系到整车的安全。在高能量密度和低成本的需求驱动下，锂离子电池安全事故时有报道[1-5]，相关研究大都聚焦在电池制造的质量管理[6-10]。从锂离子电池研发人员的角度，结合锂离子电池全生命周期以及应用实践展开的质量管理文献报道较少。

本文运用质量管理理论，结合作者多年的电池开发实践，对关键的锂离子电池设计阶段的质量管理进行阐述，以期达到提升产品质量、缩短开发周期、降低开发成本的目的，提升我国新能源电池的质量和市场竞争力。

1 电池设计阶段质量管理的意义

设计阶段的质量影响最终成品电池的固有性能和成本，并且传递到产品制造和后期使用过程。锂离子电池的开发，一般经历立项、设计、小试、批试和量产等几个阶段。其中，立项和设计阶段的固定成本相对较低，只需要投入策划人员。小试和批试阶段成本较高，需要导入生产线及工装模具等固定资产，同时，还需要配备试制物料。图1 为锂离子电池开发质量杠杆图，在整个产品开发的生命周期中，问题越在早期解决，需要付出的代价越小，越到后期，纠偏浪费的各种资源越多。因此，锂离子电池设计阶段的质量管理，可以最高效地节约产品开发成本。

图1 锂离子电池开发质量杠杆图

项目最大的不确定性往往是在项目早期，对早期阶段的高质量要求，是项目顺利开展的前提。事实上，对于一款新的电芯开发，由于设计质量不佳导致的项目进度延期、开发资源浪费经常发生。设计阶段的质量管理，通过对产品开发的目标、方案、进度和风险等进行系统管控，提升产品的交付质量，是电池厂商产品质量保证的基石。

2 电池设计阶段质量管理的实施

2.1 对目标的质量管理

产品的开发目标是客户需求的具体体现，正确和全面地识别客户需求是设计目标质量管理的关键。然而，客户的需求往往不容易收集，一方面是需求来源的相关方有偏差，因为研发人员收到的电芯的需求通常由项目经理传达；另一方面是客户也可能未表达清楚真实需求，因为客户的描述方式不一定能完全正确地转化为研发人员需要的技术指标。

挖掘客户的真实需求可以采取以下方式：（1）头脑风暴、小组会议，组织相关方进行焦点讨论，以防需求的缺漏和偏差；（2）竞品分析、行业对标，锂离子电池的设计目标主要涉及电池尺寸（结构）、性能和成本等，这些指标可以结合行业标杆产品进行确定，以便产品有高的附加值和竞争力。

对目标的质量管理，除了上述的识别正确和全面，还应该符合以下五个维度的目标管理原则：（1）具体的（目标必须清晰明确）；（2）可衡量（能数量化，验证这些绩效指标的数据是可以获得的，且能够给出明确判断的）；（3）可实现（目标应该是可达到的，避免设立过高的目标）；（4）相关的（目标必须与其他目标具有一定的相关性）；（5）有时间节点（目标必须具有明确的截止期限）。图2 为某款户外移动储能电芯的开发目标。只有反复沟通、明确设计目标，才能减少目标的变更，提升项目开发质量。

图2 锂离子电池目标制定输出的表单

2.2 对方案的质量管理

在确定锂离子电池设计目标后，需要进行项目设计方案的准备。该阶段的质量管理主要是对设计方案的可行性进行评估。为了提升设计方案的质量，可以根据产品功能和性能的要求采用质量功能展开（quality function deployment，QFD）[11]的方法进行设计方案的制定。QFD 是一种客户需求驱动的产品设计开发理论，将提取的用户需求转换成产品开发各个阶段的对应技术需求信息，达到围绕客户需求调整产品开发方案的目的，从而提高新产品开发的成功率。此外，还要结合类似产品的设计开发资料、法律法规、标准和行业规范等。

高质量的设计方案首先要满足可制造性，在互联网时代下的锂电行业，原材料价格信息透明，提升制造良率可有效增加公司利润，因此，面向可制造的设计方案尤其重要。其次，方案中的电池体系、配方、技术参数等工程规格需要满足电池可靠性要求，这个阶段应采用设计失效模式及后果分析方法（design failure mode and effects analysis，DFMEA），针对某些功能失效的影响后果确定其潜在失效模式，一般每种失效影响会对应多种失效模式；失效的潜在起因是针对失效模式而言的，其导致的后果就是失效模式，同时又是后面提出建议和纠正措施的依据；而失效根本原因的挖掘是为了能有效地制定相应的故障预防措施。图3 是运用DFMEA 方法分析锂离子电池容量和功率损失[12-19]。

图3 锂离子电池容量和功率衰减失效分析

方案的确定还可以采用全面质量管理学中PDCA[20]循环思想，其中P 阶段是策划阶段，该阶段的主要工作是改进机会的识别，制定改进目标以及达到这些目标的措施和方法；D 阶段是实施阶段，主要任务是实施改进计划；C 阶段是检查阶段，质量改进追求效果，而改进的效果需要检查分析才能做出判断；A 阶段是处理阶段，这个阶段主要进行经验总结，巩固改进效果以及将遗留问题转入下一个循环。设计方案不是仅靠一次工作循环就可以完成，而是需要经过多次循环，不断改迸。在这个过程，考虑电池全生命周期，明确主要失效模式，反哺设计方案，也可以为产品和过程特殊特性清单的制定提供依据。如图4所示，分析循环后期的磷酸铁锂电池体系，失效模式主要为负极固体电解质界面（SEI）膜的增厚消耗活性锂离子以及石墨材料的克容量损失。基于上述研发经验，提升设计方案的质量，可以重点管控设计方案中关于SEI 膜性能优化和石墨材料的循环稳定性优化。

图4 磷酸铁锂电芯循环失效模式定量分析

2.3 对进度的质量管理

目标和方案确定后，设计阶段需要制定后续各项活动的时间进度，使整个开发过程在受控状态下进行。设计阶段进度的质量管理，主要考虑进度里程碑节点设置是否合理，相应节点下输出的项目资料是否完善。常见引发进度问题的原因有：目标和方案频繁变更、进度延误、项目混乱；跨部门考核机制不完善、沟通困难、项目推进缓慢。进度的质量管理最佳实践包括：（1）根据沟通计划，与项目相关人员进行有效沟通；（2）严格监控项目进度，提前预警、及时纠偏；（3）重点跟踪监控高风险任务，并采取防范措施。

此外，在进度的制定上，明确关键路径即耗时最长的任务，良好的进度管理是向关键路径要时间、向非关键路径要资源。锂离子电池的开发，关键路径有物料采购（新型物料需要供应商开模）、新产品试制调试、产品测试（储存和循环等可靠性测试周期长）等，在这些关键路径的进度管理上要明确真正的资源日历，而不是简单的自然日历去推算。

将进度做到可视化，可以提高进度管理质量。甘特图是将任务列表和时间周期可视化的较好的工具，通过活动列表和时间刻度表示出特定项目的顺序与持续时间，一条线条图，横轴表示时间，纵轴表示项目，线条表示期间计划和实际完成情况，直观表明计划何时进行、进展与要求的对比。

2.4 对风险的质量管理

项目不同阶段会有不同的风险，随着项目的进行，不确定性随之减少。设计阶段是项目的早期阶段，风险是不可避免的，关键在于对风险进行识别和管理。锂离子电池开发设计阶段的风险分类有外部不可预测的风险（客户需求变更）、内部非技术风险（进度拖延、成本超支、管理问题等）、技术风险（现有设计下电池性能不足）、工艺风险（新型制备工艺）、法律风险（专利侵权）等。

对风险进行识别后，首先实施风险定性分析，即分析风险发生概率及风险带来的影响，对风险的影响进行评级；其次，规划风险应对策略，应对策略有规避、转移、减轻、接受等；最后进行风险监控，执行风险应对计划，细化到责任人和完成时间节点，有识别有跟踪才能做到有效的风险管理。

在锂离子电池设计阶段的风险应对策略主要有规避和减轻，如图5所示，在锂离子电池可靠性设计时，从材料体系设计和电芯参数设计上进行规避或者减轻风险。

图5 锂离子电池可靠性设计风险规避（减轻）措施

3 结语

随着新能源汽车产业和储能领域的大规模发展，锂离子电池行业迎来了前所未有的机遇，同时也面临着巨大的挑战，提升锂离子电池的质量是提升其市场竞争力的必经之路。本文首先从质量杠杆的角度论述了设计阶段质量管理的重要性，设计阶段的质量管理可以最高效地节约产品开发成本。其次，结合“SMART”目标管理原则、QFD 方法、DFMEA、PDCA 循环思想等质量管理理论对设计阶段目标、方案、进度、风险进行质量管理的实施；同时，根据锂离子电池开发实践经验，提出对方案制定和风险管控上的质量提升建议。

如今，锂离子电池产业的急剧扩张、产能的迅速释放、对产品成本的极致压缩等，导致锂离子电池质量良莠不齐。因此，进一步改进锂离子电池质量是十分必要的；设计阶段是锂离子电池开发过程的基础，研究设计阶段的质量管理极具意义。

结合上述对锂离子电池开发过程中设计阶段的质量管理论述，提出对行业未来设计阶段质量提升的建议：一是锂离子电池企业加强设计阶段的重视程度，产品目标的制定必须从应用的角度出发，立足锂离子电池全生命周期的可靠性设计，提高产品的性能底线；二是从微观结构、宏观尺度，从电芯本体、模组层级等多维度系统解析锂离子电池的失效特征，深入研究不同时空、工况条件下锂离子电池健康安全状态和电化学性能失效机制，为产品的设计方案提供理论依据；三是在竞争日益激烈的市场环境下，锂离子电池行业同质化现象已越发明显，避免同质化需要企业强化技术创新能力，在产品设计阶段，不断追求产品和服务的本质创新。