电池创新如何克服量产魔咒

从电动汽车到智能城市的广阔领域里，电池正在为各种设备提供动力。因此，电池制造新技术和新设施正受到越来越多的关注，它们动辄吸引数百亿元的投资。

然而，对于许多创新来说，其技术突破仅存在于纸上或少数原型模型中，而这些模型似乎只能工作在实验室里。那么带来的问题是，这些创新能成功地从原型迈入规模市场吗？

经验证明，规模这个巫毒会将最好的发明置于死地！一个历经无数应用和条件并测试了无数次的原型，却在投产时完全失败了，并且无任何明显的原因。

在这方面，英特尔就有过教训：

在上世纪70年代，该公司当时拥有业界最好的存储芯片设计和客户样品。然而在量产芯片时，良率却无法保证，低到了毫无可能获利的地步。随后，时任首席执行官AndrewGrove向斯坦福大学教授CraigBarrett寻求了帮助。

Barrett返回到最基础的地方，一切重新开始。他和英特尔员工使用了一个单独的制造实验室，对制造工艺的每一步都进行了复制。当良率上升(即便是只有一个百分点)时，Barrett便会将这一工艺固化，然后再进行系统性适配改变。改变后，如果良率确实还是上升了，他就将这一改变作为晶圆厂工艺的永久组成部分。

最终，他实现了半导体行业最高的良率，英特尔也随之取得了成功！

从概念到规模市场

在不牺牲单个器件性能或质量条件下的产量可提高能力，被定义为可扩展性。实际上，在以惊人速度增长的半导体行业中，正是该可扩展性决定了谁是赢家，谁是输家！

从如下四个关键领域开始，可以获得最大的可扩展性潜力：

概念验证

在这个阶段，将获得设计概念和原理图，并确定是否可以构建。在这个节点上，设计师并不确定它是否有效，或是否适合所选择的外形。主要目的是为了测试性能，并确定设计是否会按照设计师的意图去做。

原型创建

这一步就是找到合适的电池外形。由于电池的形状和尺寸有限，因此选择也有限。通常，设计师的决定首先取决于实用性(设计适合对象)，然后取决于潜在(或目标)客户的需求。当这两个因素相匹配时，就找到了设计最佳点。

试生产

这个节点上，首先需要回答下列问题：

设计师能以选定的结构制造出所计划的电池并使其工作吗？

能生产出足够高可靠性的电池来盈利吗？

与竞争对手相比，所生产的电池具有有效的改进吗？

能够生产出足够数量的电池来满足潜在需求吗？

如果其中任何一个问题的答案是否定的，那就必须重新开始。

试生产虽然也是利用真正的生产线进行的，但速度要慢得多，规模也较小。采用连续箔材的典型速度是每分钟几米。该速度看起来可能已经很快，但在真正量产时，将还要提高几个数量级。

在原型设计/试验过程中，一个鲜为人知的东西是制造商电池浆液的私密制作。保密的部分可能是该制造商制作浆料的材料配方，或者是电极制造工艺。材料配方通常是粉末形式。配方中能够产生高密度的活性原料或粒子，与水或溶剂按照一定的比例进行混合，制成浆料。这种浆液可以用于阳极、阴极或两者都用。而在电极制造工艺中，将上述粉末或浆料挤出制成薄膜或在箔卷上形成涂层。

在扩大电池制造规模时，上述这两者的优劣代表着制作过程中引入错误机会的多少，从而影响产量、性能和可靠性。在中试过程中，需要对混合和涂层予以充分控制和掌握，以确定允许的变化量，从而在每次混合和涂层制作中，能够获得极其一致且可靠的结果。

一旦实现了对变量的正确控制，就可以提高产量。混合可以采用较大的批次(如果使用分批工艺)或通过转移到连续工艺来完成。在涂层区域，可以通过使用更宽的箔片或以更快的速度移动箔片来增加产量。可以把这看作打垒球，从慢速到尝试打出时速100多公里的快速球。

接下来是电芯组装过程。电池行业通常生产圆柱形、棱柱形或袋状电芯。在性能和可靠性方面，每种电芯类型都有其优点和缺点。在决定形状因素时，还需要考虑不同量产规模方面的挑战。

量产规模

现在，需要数千万元的新设备，一支员工数量大幅增加的队伍，还有一批可靠的供应商和现成的客户。升级需要将箔卷的宽度从200～300mm增加到500～1500mm，同时以每分钟50～100米的速度穿过生产线。千兆瓦级的工厂不到五秒钟就可以生产出一个电芯。

一开始就要有长远规划

如果厂商还没有为规模的大幅增长做好准备，而是回到实验室的第一步，那将很难实现市场化的量产规模，并在行业中生存。

而对于投资者，从一开始，就应该问如下类似的问题：

具备量产规模的电池制造商在哪里？

他们是如何为实现商业量产规模做准备的？

如果是潜在客户，在为未来的产品设计特定电池之前，也需要问同样的问题。

总之，无论是谁，都不要相信各类炒作！电池革命不可能明天就能一下子到来，也很可能不会由人们通常所认为的制造商来实现！

(参考原文：how-battery-innovators-can-overcome-the-voodoo-of-scale）

本文为《电子工程专辑》2023年10月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅