采用问题解决型QC-STORY八步骤回顾预充电排气工艺优化案例。
一、问题提出
在生产过程中，我们分析电池数据时发现容量、内阻一致性特别差。与预期值进行比较，容量比设计值20Ah约低2Ah，具体如图2所示。
图2 电池容量和内阻IR分布
二、现状调查与目标设定
首先对样品电池进行了多方调查，各工段数据分析。极片面密度满足品质管理要求，卷芯质量满足品质管理要求，电池质量满足管理要求，从这些数据分析可见，极片质量、注液量都满足要求，不是导致容量低的原因。
于是，我们拆解电池，发现极片与隔膜之间存在大量的气泡，如图3所示。对满电状态下的电池拆解观察，负极极片上存在很多没有反应的斑点（图4），气泡影响Li+在正负极来回往返，正、负极活性物质没有充分反应，容量偏低，而且一致性差。
图3 预充后电池拆解形貌
图4 满电状态下，负极极片形貌
这种气泡会导致负极表面不能形成良好的SEI膜，如果首次预充过程中形成的SEI膜不够稳定，随着循环的进行负极材料可能会剥落、破坏，在电极表面重新形成SEI膜，再次产生气体，降低电池的容量，加速电池的衰减。另外，充放电循环过程中，气泡影响Li+在正负极来回往返，正极活性物质也不能充分反应，降低可逆循环的效率。而且，这种气泡存在于电池壳体内，易引起电池的鼓胀、甚至爆炸的质量问题。
针对以上问题，我们成立了改善小组优化预充工艺，减少电池内部的气泡，消除负极极片上没有参与反应的斑点。并且最后确定了目标：容量达到20±1Ah，内阻0.95±0.20mΩ。
三、要因分析
针对以上出现的问题，我们从预充电原理出发，从人、机、物、法、环(4M1E)查找原因，并对具体的可能原因，提出了实验方案和实施计划。最终，我们分析主要的原因可能包括：
（1）目前的预充条件不合适，不能够使电池内部产气完全，预充不能达到理想效果；
（2）预充时电池内部产气完全，但是气体未能完全排出，仍存在极片与隔膜之间。
四、对策制定与实施
对于问题1：预充条件不合适，产气不完全。我们设计实验，通过改变充电时间调整预充电SOC状态，对比了不同SOC对产气的影响。
对电池预充电15min、30min、60min、90min，对应的SOC大约分别为 5%、10%、20%、30%。预充电之后，不抽真空拆解电池。电池拆解时，负极和隔膜粘结在一起不分开，依次展开电池正极、负极/隔膜，观察隔膜与负极之间留存的气泡，结果如图5所示。SOC达到30%时，气泡比SOC达到5%、10% 、20%时要少，但是仍旧存在很多气泡。
图5 不同SOC预充电电池拆解气泡情况
于是，电池预充电后再进行抽真空3min，再拆解电池观察气泡情况，结果如图6所示。同时还对预充电后抽真空3min的电池进行化成，然后在满电状态下进行拆解，观察负极极片形貌，结果如图7所示。电池在预充和抽真空3min后，拆解发现与图5不抽真空电池相比，气泡减少了一些。在不同的SOC条件下，电池内部气泡无明显差异。电池经过预充、抽真空3min及化成后满电拆解，发现SOC达到30%时黑色斑点量最少。再对比电池内阻，电池的预充SOC达到20%、30%时，预充后测得的电阻较小，而且SOC 30%时内阻最小，化成后容量高。
图7 不同SOC预充电-抽真空3min-化成满电电池拆解负极情况
因此，最终确定预充电SOC为30%。但是，气泡仍旧存在，我们再考察要因2的影响。
对于问题2：预充电产生的气体未能完全排出，仍存在极片与隔膜之间。我们调整了预充后抽真空的条件，主要包括时间和真空度。
首先，电池预充电SOC30%后，分别对电池抽取真空不同的时间，考察了抽真空时间对电池内阻IR的影响，数据结果如表1所示。通过实验可以看到，预充后抽真空6min，IR/OCV基本稳定，由于电池间还有一些微小差异，为了确保气泡充分排出，最终预充后抽真空的时间定确定为10min。
表1 不同的时间抽真空电池的IR变化
其次，考察了保持真空度的影响，之前抽真空工艺的真空度为-90kPa，我们设定更低的真空度到-96kPa，电池预充电SOC30%，不同真空度下抽真空10min，拆解观察气泡情况，结果如图8所示。实验结果发现，-96kPa真空度能够更好地排除电池极片内部的气泡，排气效果明显，而且负极极片表明更加平整，没有褶皱。
其次，考察了保持真空度的影响，之前抽真空工艺的真空度为-90kPa，我们设定更低的真空度到-96kPa，电池预充电SOC30%，不同真空度下抽真空10min，拆解观察气泡情况，结果如图8所示。实验结果发现，-96kPa真空度能够更好地排除电池极片内部的气泡，排气效果明显，而且负极极片表明更加平整，没有褶皱。
图8 不同真空度处理电池的拆解情况：左图-90kPa，右边-96kPa
五、效果检查与验证
通过以上改善实验，最终确定预充电排气工艺为：
预充电SOC约为30% (0.2C，1.5h)，预充后抽真空10min，真空度 -96KPa。
确定工艺后，经过几个批次电池的试制，分析电池数据，容量为20.3±0.6Ah，内阻为0.87±0.05mΩ，达到设定目标。
图9 电池容量分布
六、标准化、总结与反思
预充电工艺优化实验结果经过多部门的确认，最后将优化的工艺参数写入工艺标准和作业流程书，标准化改善结果。
电池样品试制过程中，生产工艺存在很多需要进一步改善的地方，对于生产实践过程中的问题，首先采用三现二原（现场、现物、现实、原理、原则）主义，收集数据，把握现状，认识问题，此时，4M1E分析问题方法特别重要，各个工序的要素都是由人（man）、机械（machine）、原料（material）、方法（method）、环境（environment）这几个部分构成的，分析问题时就可以从这几个方面入手，采用特性要因图工具全面分析问题，找出重要的原因，并制定对策。
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