物联网和智能制造提升锂离子电池生产安全

文·图/桑田 廖文聪 农立强

锂离子电池常常采用高架仓库型式的生产方式，在提高生产效率的同时，引发连锁反应导致火灾的可能性也大大增加。为了平衡好集约化生产方式下生产效率和安全条件，惠州亿纬锂能股份有限公司开展了一系列研究和实践。

2017年中国动力和储能电池产业已形成有效产能110 GWh，实际产出36.2 GWh电池。随着行业生产规模的快速发展，原有的生产方式无法支持大规模电池制造的实现，越来越多的企业开始导入集约化的生产方式，大量应用智能制造装备，大力提高质量一致性、生产效率和单位面积上的产值。

锂离子电池是一种富含能量的器件，在制造过程中电池也存在一定的失效概率，因此，需要采用化成分容工艺以及高温老化、常温老化等环境应力筛选工艺。将制造过程中的失效电池筛选、剔除，以保证交产品满足技术和质量要求。

集约化的化成分容、高温老化、常温老化工序常常采用高架仓库型式的生产方式，这种生产方式在提高生产效率的同时，也意味着厂房的单位面积上的电池数量更多、能量密度更高。当少数电池失效进而热失控时，引发发生连锁反应导致火灾的可能性也大大增加了。为了平衡集约化生产方式下生产效率和安全条件，惠州亿纬锂能股份有限公司（以下简称“亿纬锂能”）开展了一系列研究和实践。

亿纬锂能创立于2001年，是国家级高新技术企业，专注于锂电池的创新发展。经过十余年的耕耘，公司锂亚电池居世界前列，锂原电池居国内领先地位。

生产安全条件改进背景

生产方式的变化

传统的化成分容方式（图1）多采用单点式的化成分容设备，需要大量的人工装夹电池，设备占地面积大，生产效率不高，生产设备对电池的热失控几乎没有监测预警设计。传统的高温老化（图2）、常温老化生产方式（图3）多采用传统仓储式的老化方式，将电池托盘密集堆垛在栈板上或者货架上，再将栈板或货架置于老化环境中。这种老化方式需要大量的人工搬运电池，对厂房垂直空间的利用效率不高，老化设备的监测预警设计无法精准定位热失控的失效电池，电池托盘密集堆垛也造成了火灾载荷较大。

图1 传统的化成分容方式

图2 传统的高温老化方式

图3 传统的常温老化方式

因此，近年来动力和储能电池企业的新建项目纷纷采用集约化和自动化的制造装备，比较多地应用了高架仓库型式的化成分容、高温老化、常温老化设备，设备高度通常在几米至十几米之间，大大提高了生产效率和单位厂房面积的产值。

安全风险的变化

锂离子电池的化成分容工序需要进行100%充电和大电流放电。在这一过程中，少数失效电池可能会发热、冒烟、热失控甚至起火。不论是传统形式的老化工艺还是集约化形式的老化工艺，老化场所都是在电池集中存放、能量非常集中的区域，在这一过程中，少数失效电池或其他外部因素可能诱发电池发热、冒烟、热失控甚至起火。当发生上述情况时，若处置不当或不及时，极有可能导致火情进一步蔓延，形成火灾，危及员工人身安全和企业财产安全，形成不良社会影响。

在传统生产方式中，生产设备设施往往没有火灾探测器，无法确定失效电池的冒烟位置；在集约化的高架仓库方式中，存放电池的货位数量多，货架高度远超出了人工应急处置的能力范围。按照传统的应急处置措施，当建筑消防设施的火灾探测器报警后，厂区的消防控制室先将报警信息通报车间工作人员，车间工作人员需要在报警区域人工目视搜索，以进一步确定冒烟、起火部位，再使用灭火器、消防软管卷盘或消防水带处置。这种应急处置方式耗时长、效率低，极易延误初起火灾处置的“黄金三分钟”，导致单个电池的冒烟、起火蔓延形成火灾。而且，对高架仓库的高处货位的警情，人工使用灭火器无法处置，使用消防软管卷盘或消防水带又容易造成水滞次生灾害，扩大财产损失。

因此，必须研究和应用一种监测预警效率更强、定位更精准、处置速度更快、次生灾害更小、更适合集约化生产的生产方式和安全技术系统。

借力物联网技术和智能制造装备

亿纬锂能针对传统生产方式的痛点和安全风险，在分容化成、高温老化和常温老化工序系统性地应用了物联网技术和智能制造装备。

智能制造生产系统

高架仓库型式的分容化成、高温老化、常温老化生产系统（图4）高度通常在4～10 m之间，高货架的每个货位可储存1 536只电池（以18650型钢壳圆柱为例），大大提高了单位面积的产值。

图4 高架仓库型式的分容化成、高温老化、常温老化生产系统

该生产系统采用总线式中央控制室（图5），产品各类技术指标信息、生产工艺信息、产品质量信息、产品实时位置和状态信息均自动采集进入中央控制室集中处理。每2列高货架之间设置1个堆垛机器人（图6）。堆垛机器人可执行电池的搬运、装夹等生产任务，也可以执行灭火等应急处置任务。整个生产系统响应时间小于5 s，堆垛机器人从最远距离响应到完成任务指令的时间小于1.5 min，大大提高了生产效率。

图5 总线式中央控制室

图6 堆垛机器人

基于物联网技术的安全系统

高架仓库型式的分容化成、高温老化、常温老化生产系统，采用阻燃型的电池托盘，每个电池保持一定安全间距，防止一只电池热失控产生的热量快速辐射到相邻电池，减少热失控带来的连锁反应，减少火灾概率。高货架的每个货位之间也保持一定的安全距离，同样能够减少热失控带来的连锁反应，减少火灾概率。

每个货位设置了一只火灾探测器（图7），火灾信号和位置信号通过总线接入生产系统的中央控制室。堆垛机器人上设有一套自动灭火装置（图8），每两列高货架设置一个事故水箱（图9）用于浸泡发热电池。

图7 火灾探测器

图8 堆垛机器人的自动灭火装置

图9 事故水箱

当电池出现发热冒烟的险情时，货位上的火灾探测器探测、触发，信号经服务器处理后在车间和中央控制室同时发出声光报警。中央控制系统自动向堆垛机器人下达应急处置指令。堆垛机器人根据不同状态在5 s内响应并在1.5 min内完成处置。

状态1：堆垛机器人在执行生产任务中接到应急处置指令后，立刻以就近原则结束生产任务，然后前往报警货位取出整个货位的电池，并送往事故水箱。

状态2：堆垛机器人在待机状态接到应急处置指令后，立刻前往报警货位取出整个货位的电池，并送往事故水箱。

堆垛机器人在将电池送往事故水箱途中，如探测到电池仍然在冒烟，堆垛机器人的防火卷帘门会自动下降，启动堆垛机器人上的自动灭火装置灭火。

生产安全条件改进带来的安全收益

改进后的生产系统有两大成果，首先集约化的智能制造方式提高了生产效率，其次基于物联网技术的安全系统提升了监测预警能力，提高了应急处置效率，大大降低了事故危害度和事故损失。

生产效率的提高体现在两个方面。一方面是高架仓库型式的生产系统能容纳481万只电池同时老化，而相同面积的厂房如采用传统工艺仅能老化约300万只电池，高架仓库型式的生产系统提高了约60%的生产效率，每年可多产出约4 163万只电池，增加产值约3亿3 304万元。另一方面，大大减少了电池搬运、装夹的工作人员数量。如采用传统工艺，每个班次至少需要4名工作人员不间断地搬运电池，需要若干名工作人员装夹电池，同时还存在着工作人员被电池砸伤、被叉车压伤的风险，而高架仓库型式的生产系统只需要1名工作人员监视中央控制系统，适时输入生产指令，堆垛机器人则会根据系统预设指令或人工指令自动操作，每年可节约人工成本约25万2 000元。

在降低事故危害度和事故损失的收益方面，2017—2018年间，亿纬锂能某工厂的分容化成、高温老化和常温老化生产系统共监测到12次电池失效故障，该系统及时预警，堆垛机器人成功处置，没有发生火情蔓延、设备损失、电池损失和人身伤害。以一个货位的电池价值计算，减少事故损失8.00元×1 536（只电池）×12（次）=14万7 456元，如考虑成功避免了更大尺度的火灾损失，则安全收益更多。

根据过去3年的生产实践和安全管理实践，在单个容量为数安时的三元电池化成分容、高温老化、常温老化制造过程中，采用高架仓库型式的电池存放设施、货位火灾探测器、堆垛机器人、设备自动灭火装置、中央控制系统这一套物联网技术和智能制造装备，提升了生产效率，取得了显著的安全收益，为动力和储能电池行业在产能大发展时期管理好安全生产、防范火灾风险提供了一个可以借鉴的范本。

但是，在单个容量为数十安时或数百安时的大容量的三元电池上的应用效果，还需要进一步研究和实践。