电池制造是工艺和离散操作的复杂组合，化学生产与用于涂层应用和电池物理组装的机器人并排进行。典型的电池包括一个用于绝缘和支撑的外壳、一个正极侧、一个负极侧、一个发生电化学反应的电解质和一个防止磁极接触的隔板，这会导致短路（图 1）。给电池充电使锂离子通过电解质从阴极移动到阳极，反之亦然，放电时，隔膜允许离子移动，同时提供电绝缘。
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阳极通常是涂有石墨的铜箔，将其研磨成特定尺寸，制成浆料，涂在铜上并烘烤以粘合，同时保持导电性和孔隙率。
阴极因制造商而异，通常包括锂镍锰钴氧化物或磷酸铁锂等合金，需要高纯度以避免污染。它被加工成粉末并涂在金属箔上。
电解质（一种支持锂离子运动的液体）和隔膜对电池功能至关重要。电解质将锂盐（主要是六氟磷酸锂）与添加剂在有机溶剂中混合，以稳定离子流并保护阳极和阴极。这些组件共同构成了锂离子电池的复杂结构，每个组件在电池的性能、安全性和效率方面都发挥着至关重要的作用。
制造锂离子电池组件涉及各种凝胶、糊状物、浆料和液体涂层，每一种都必须非常均匀地涂覆在各种表面上。所有这些都是分批生产的，因此对一致性的需求至关重要。
鉴于这个竞争激烈且复杂的行业性质，制造商必须使用先进的测量仪器来监控每个阶段的质量，以便保持生产效率并最大限度地减少浪费。这需要：
限制由原材料不一致引起的批次间差异。
从头到尾监控和控制批次的进度。
避免设备过度磨损，避免因腐蚀性和磨蚀性材料流经生产过程而造成的损坏而失去精确控制。
通过保持对腐蚀性和有毒产品的控制和安全储存，保护人员、设备和当地环境。
构建生产灵活性，以满足客户对不同电池组件类型和专有配方的要求。
以下是确保产品质量、生产安全和设备可靠性的一些实际考虑因素。
监控质量
确保批量生产的质量取决于配方的一致性，以及成分的精确测量和分析。要实现这种精度和可靠性水平，需要一个强大的测量技术和策略工具包，以解决材料特性和过程条件的固有变化。
每种成分都必须以正确的量添加到混合器或反应器中，这种测量的主要方法是质量流量计。高准 ELITE 科里奥利流量密度计（图 2）等技术因其能够直接测量液体、泥浆和气体的质量流量而脱颖而出，这与从体积测量推断质量流量的传统方法不同。这种能力对于确保添加到混合物中的每种成分的正确数量至关重要，尤其是在处理密度可能随温度或成分变化的材料时。该仪表还能够测量密度，从而提供额外的控制层，从而能够精确配制批量混合物。
保持正确的 pH 值至关重要，尤其是在涉及高酸性或反应性材料的过程中。艾默生的罗斯蒙特 372 耐氢氟酸 pH、RBI pH/ORP、3400HTVP pH/ORP 和 3500VP pH/ORP 传感器旨在在这些具有挑战性的条件下提供准确的 pH 测量，确保批次内的化学反应按预期进行。可靠的 pH 控制对于产生一致、高质量的输出至关重要，尤其是在此类化学反应中，产品质量直接受混合物的酸度或碱度影响。
粘度控制是质量监控的另一个关键方面，特别是对于用作涂料的成分，或必须具有特定流动特性的成分。Micro Motion Fork 粘度计允许操作员实时监测粘度以及密度和温度，从而有助于立即调整过程以保持所需的材料特性。这种实时监测和调整功能对于材料粘度影响涂层或混合操作的效率和质量的工艺至关重要。
电导率测量在电解液的质量控制中起着关键作用。罗斯蒙特 228 环形电导率传感器适用于测量高导电液体的电导率，包括电池制造中常见的腐蚀性或磨蚀性溶液。电导率是电解液促进离子流动能力的直接指标，这对电池的性能至关重要。
通过非接触式雷达液位变送器（如罗斯蒙特 5408 液位变送器）进行批次体积验证，确认批次的总体积符合生产规格。此步骤对于验证批次的完成度和一致性至关重要，确保在混合或反应阶段没有发生可能影响最终产品体积的偏差。
确保安全
锂离子电池制造需要使用高反应性和危险材料，因此需要采取强有力的安全措施来防止受伤和保护设备。锂离子电池生产涉及处理腐蚀性、有毒和易燃材料，这凸显了制定全面安全协议的必要性。
对于气体和蒸气检测，设施采用先进的有毒气体检测器，例如艾默生的罗斯蒙特 928 无线气体监测仪和罗斯蒙特 925FGD 固定气体检测仪（图 3）。这些探测器对于识别危险气体泄漏至关重要，可确保快速响应以减轻潜在危险。罗斯蒙特 975UF 火焰探测器是另一种必不可少的安全工具，能够通过感应辐射能快速检测火焰，从而有助于防止进一步的安全并发症。
职业安全措施包括在整个制造工厂实施安全淋浴器和洗眼器。这些可以通过艾默生的 TopWorx 安全淋浴器和洗眼器站监控套件进行监控，该套件在启动时会向控制室发出警报。这可确保接触化学品的工人立即得到帮助。
锂离子电池制造中的过程安全还需要密切关注风险较高的测量和控制应用，因为一旦发生故障，这些应用会给工人和环境带来更大的安全风险。为了解决这些问题和相关问题，制造过程应采用能够承受此类条件的安全认证仪器。艾默生拥有各种通过 IEC 61508 认证的安全仪表（图 4），这些仪表是旨在防止事故的安全仪表系统不可或缺的一部分。这些仪表可监测从压力和温度到流量和液位的一系列过程变量，确保操作保持在安全参数范围内。
锂离子电池制造中的安全包括一系列措施，从有毒气体和火焰检测，到职业安全协议和工艺安全系统。每一层保护都有助于打造更安全的制造环境，最大限度地降低与处理危险材料相关的风险，同时确保人员的健康和制造设备的完整性。
提高可靠性
现代过程仪表是提高锂离子电池制造可靠性的关键，包括提醒可靠性团队注意潜在问题的诊断功能。这种远见卓识允许主动维护计划，有助于防止生产中断。与各种艾默生流量计兼容的 Smart Meter Verification 软件特别有价值，因为它提供实时仪表和过程性能监控，以及历史数据审查。此功能简化了仪表校准定时决策，当与数字控制网络集成时，减少了手动现场检查的需要。
由于生产中使用的反应性化学品，腐蚀和侵蚀会给制造设备带来重大风险。对于持续监测，艾默生的罗斯蒙特无线 Permasense ET410 腐蚀和侵蚀监测系统可实时测量管道或容器壁厚，允许立即采取维护措施以确保设备完整性。
在某些制造过程中，反应器的移动性给有线仪器带来了挑战。罗斯蒙特 2051 无线压力表和罗斯蒙特 248 温度变送器（图 5）等无线设备无需频繁连接和断开连接，从而提供了一种解决方案。这增强了灵活性，降低了设备损坏的风险并简化了安装，与传统的有线设备相比，可显著节省成本。
越来越多的工厂流程制造侧所需的现场仪表配备了蓝牙技术（图 6），适用于工业环境，因此可以应用于流程制造设施中部署的现场设备。使用这种方法，蓝牙无线通信支持查看诊断信息和轻松配置，而无需有线连接。
与现场设备的传统通信通常包括打开外壳并夹住通信器的引线。这会使变送器内部暴露在潜在的环境污染物中，并可能对操作员构成安全隐患，无论变送器位于何处，操作员都必须接触到变送器。这可能涉及使用梯子、爬上 T 台或安装临时脚手架。