6月2日,在國務院總理李強主持召開的國務院常務會議上,將原定于今年年末到期的新能源汽車免征車購稅政策再次延期,這無疑為目前增速放緩的新能源汽車市場注入了一劑“強心針”。根據車乘聯提供的統計數據顯示,2023年1-4月份,中國新能源汽車產量217.5萬輛,平均滲透率提升至27.1%,但整體產量的增速已明顯放慢,與去年同期相比增長率為32.8%(見圖1)。在這一市場環境下,動力鋰電池行業出現了結構性產能過剩的局面,與此同時,儲能鋰電池市場受到越來越多的關注,規模化、精益生產成為目前鋰電池設備行業的重要發展趨勢。
組編/編輯部
兩大主線——“大方形+大圓柱”
在當前新能源汽車市場增速放緩的形勢下,2023年中國動力鋰電池行業整體呈現出結構性產能過剩的特征,去庫存成為今年頭幾個月市場的主旋律。進入二季度,從五月份新能源汽車廠商的交付數據來看,比亞迪、廣汽埃安、理想等主力車企都實現了環比超過10%的交付增速,整體出現明顯回升,下游需求的放量同時傳導、帶動至鋰電行業的排產恢復;加上近期碳酸鋰等原材料價格在較低位置企穩后,使得行業釋放出更多需求,促進整個產業鏈長期健康發展。
統計數據顯示,今年1-4月動力電池裝車量累計達91GWh,同比增長41%,預計二季度下旬后期排產能夠逐步正常。在激烈的競爭環境中,電池結構創新成為車企和電池廠商降本增效的重要發力點,頭部企業的影響力被進一步放大。以比亞迪刀片電池和寧德時代麒麟電池為代表的大容量方形電池,以及特斯拉主推的46系大型圓柱電池,是目前市場的兩大主線。據悉,比亞迪刀片電池已被運用在其多款新車型上,極氪001為全球首款搭載麒麟1000公里電池的量產車型,將于2023年二季度推出;松下、LG化學、三星SDI、以色列Storedot都已經或即將開始量產46系大圓柱電池,部分國內部分鋰電設備廠商(如:先導智能、利元亨等)也已開發出相應產線。
比亞迪刀片電池和寧德時代麒麟電池采用的都是CTP無模組動力電池包技術,大幅減少了內部的線纜和結構,電池體積利用率相較于傳統電池包提升了50%以上,零部件數量減少40%,生產效率可提升50%,最終成本下降了30%左右。刀片電池這類長、薄形電池的生產難點主要在于極片制造,超寬幅的極片生產設備成為必備(如:極片雙面涂布、極片輥壓等),另外,針對長極片的疊片工藝必須要保證分切一致、堆疊時對齊,這樣才能確保電池成品擁有良好的一致性。
而特斯拉之所以選擇4680大圓柱電池的主要原因也在于能量密度、安全性的提升,以及成本的下降。在46系大圓柱電池的制作工藝中,高性能也帶來了高要求,例如,特斯拉的4680電池采用的是無極耳(又稱為全極耳)結構,這種設計對于涂布、分切、卷繞、焊接等工藝的要求更加嚴格。
除了鋰離子電池之外,一些新型技術路線的電池發展也值得密切關注。近年來,動力電池產業鏈一直對鈉離子電池的量產化進行積極布局,當前已具備量產能力,但產業鏈需求端對鈉離子的反饋并不積極,鈉離子電池尚處產業化的初期階段,在核心技術路線存爭議、供應鏈準備不充分、生產工藝不成熟等因素的影響下,鈉離子電池的成本優勢暫時還無法完全展示出來。
此外,目前有車企已開始布局半固體電池、全固態電池等新型種類電池,安全性是短期驅動因素,能量密度是中長期驅動因素,半固態電池一般可兼容現有工藝設備,對產業鏈沖擊較小;固體電池的技術核心在于電解質的革新,最終目標是實現電解質的全固化,不斷減少對液態電解質的應用。據了解,2022年起,國內部分車企開始搭載半固態電池,但由于全固態電池制造仍存在眾多難題未解,因而暫無可靠量產計劃,產業端預計2030年有可能實現規模化量產。
圖1
第二條增長曲線——儲能市場
根據TrendForce集邦咨詢的數據顯示,2022年全球新增儲能裝機規模約為20.5GW/42.1GWh,同比增長86%/80%;全球儲能市場持續穩定發展,預計2023年全球儲能新增裝機規模有望達到34.9GW/77.9GWh(見圖2),整體裝機需求強勁,其中,中國、德國、美國是目前主要的儲能增量市場。
在5月24日舉行的第十三屆中國國際儲能大會上,中國化學與物理電源行業協會秘書長王澤深在致辭發言中表示,我國新型儲能產業仍處于新技術、新模式、新業態、新趨勢的探索之中,2022年我國新型儲能累計裝機超過8.7GW,2023年中國儲能市場規模有望超過15GW,2025年將達到70GW。
通常來說,在一套儲能系統的成本構成中,電池組約占到60%左右的比例,而鋰離子電池的技術成熟度和占比均是目前最高的(見圖3),特別是大容量方形鋰電池已成為主流趨勢,有關數據顯示,截至2022年底,280Ah的大容量方形鋰電池在電力儲能領域的滲透率已達80%。伴隨新型儲能市場的蓬勃發展,這一領域也有望成為鋰電池設備行業的第二條增長曲線。
但另一方面,有業內資深人士指出,并不能簡單地將動力鋰電池的過剩產能直接用到儲能電池上,兩者在生產工藝路線及核心設備方面差異顯著,動力電池更側重于充放電功率,要求充電速率快、輸出功率高、耐震動,尤其強調較高的安全性和高能量密度,以達到持久的續航能力以及輕量化。而儲能設備一般規模較大、固定裝置無需移動,因此對儲能電池的重量和體積沒有太高的要求,而是強調電池容量和使用壽命,例如,1500至2000個循環就足以滿足乘用車對動力電池的要求,但儲能電池的要求是至少8000個循環。為此,目前一線廠家越來越傾向于在儲能電池的電芯生產、PACK組裝等環節采用專線,基本已經不再和動力電池共用產線了,專線才能保證電芯的一致性,而一致性尤其對于大電芯來說是特別重要的指標。
例如,合信技術針對鋰蓄電池大功率、高比能量和高循環壽命等應用要求,開發的PLC+伺服+HMI一整套儲能鋰電池PACK線控制系統,在電芯模組處理線、電芯模組擠壓系統、電芯模組靜置線、電芯模組焊接線、PACK成品組裝線部分均有完整的產品組合方案,從而保障了核心儲能裝置電芯的安全性與穩定性。
圖2 全球儲能市場新增裝機規模統計及預測(單位:GW/GWh)
圖3 2022年中國新型儲能累計裝機技術分布情況
精準驅控助力突破PPM
鋰電池生產是一系列復雜的工序,在合漿、涂布、壓延、模切、卷繞、入殼、焊接、注液、化成等各個工序中都需要用到相應的自動化設備和控制系統,以保證產品的質量和效率。
近年來,匯川技術深度參與到鋰電池生產線從前道工序到后道工序的全流程,提供了控制、驅動、視覺、機器人、直線電機、氣動等工業自動化產品及方案,以及配套的軟件平臺和服務支持,持續聚焦鋰電行業工藝和裝備的升級迭代。在驅控產品線部分,匯川技術開發的SV680N旗艦伺服驅動器,雙工位固晶機最高速率可達45K/h,8項安全功能認證;中型PLC智能控制器(AC800、AC700),高精、高性能多軸同步運動控制支持256軸同步控制,1ms掃描周期,目前已在鋰電卷繞、疊片等關鍵工藝段被批量應用。
此外,匯川技術涂布機平臺凸輪閥方案的電機加速度、定位時間實時可調;通過調整電機行程即可調整閥體動作行程,實時更改,無需機械改動;模頭采用伺服電機方案,實現涂厚自動調節,節省人工。切疊一體平臺解決方案多軸采用凸輪工藝,運行速度自由靈活切換;精準的疊片緩存控制工藝,消除疊片過程中隔膜長度突變帶來的張力波動問題;視覺采用缺陷檢測、長度檢測、定位糾偏等檢測方案,及時剔除NG極片,保證產品的合格率。匯川模組PACK平臺解決方案提供貼膜、涂膠、堆疊、壓裝等工具平臺及InoQuickPro標準化編程模板,使得模組PACK工序段調試時間降低30%。
基于鋰電池生產特性,廣東科伺智能科技有限公司開發的EtherCAT伺服系統在攪拌到PACK線的各個工藝段都有大批量應用的成熟方案。例如在寬幅高速涂布設備中,針對收放卷慣量匹配、卷徑計算、張力控制、速度平穩性、高速探針響應等要求,科伺對伺服驅動器硬件及算法進行改進,可實現超大負載慣量的自適應,通過提供速度響應帶寬,降低線速度波動,提供系統張力的穩定性。同時,針對鋰電池涂布工藝、卷繞工藝、切疊一體工藝、熱壓冷壓、多軸控制等,科伺開發的高速微張力控制、轉速突變張力控制、高速高精度糾偏、高精度雙通道模擬量壓力閉環控制、擴展軸工藝庫等創新技術,均受到了客戶的廣泛認可。
鋰電池生產頭部企業對設備效率要求的提升,也是目前業內關注的一個焦點,即圍繞核心機型如卷繞線、疊片機等,突破更高的PPM數值。以大圓柱電池為例,針對卷繞速度提升容易造成極耳翻折及料線跑偏等“痛點”問題,一些伺服運/控廠商運用多級高精度糾偏系統,通過CCD成像精確檢測對邊對齊度,較好地實現了對極片和隔膜對齊度的控制,幫助設備商提高了成品良率和生產效率(例如:先導智能21700卷繞機的效率可達到45PPM,方形鋁殼卷繞機極片長度在6000mm時效率仍可達12PPM,線速度超過3000mm/s)。
精益制造能力大比拼
面對競爭激烈的市場環境,當前電池企業的競逐核心轉移至大規模制造能力與交付能力的比拼,誰能采用先進技術、精益生產,把現有的產能充分利用、實現極致的降本增效,誰就有了應對行業周期性調整的底氣。鋰電行業已經從快速制造轉入精益制造階段,對設備的工藝制造升級提出了更多的要求,國內電池設備企業的生產模式由“粗放式”走向“精益化”,迫切需要通過頂層規劃,從整體工藝流程及產線的角度,采用更多精益化、數字化生產運營方案,來有效管理業務,提高效率和生產力,最終實現可持續發展。
施耐德電氣分布在全球各地的近百家“零碳工廠”積累了豐富的實踐經驗,能夠為客戶提供多種精益生產運營管理工具,這也正是施耐德電氣解決方案在電池制造市場上的高附加值體現。在這些施耐德電氣精益生產運營管理工具中,施耐德電氣精益制造運營管理系統(MOM)可將數據轉化為決策信息,從精益化評估入手,帶來精益數字化咨詢,并可提供30多種精益改造工具組合,充分支持電池企業各種精益化核心模塊的改善需求。施耐德電氣PI System平臺是一個工業數據庫,它首先收集生產過程中的各種數據,再把其中有益的數據管理起來,經過處理、輸出,形成可操作的KPI,并且精確定位重要事件,將數據轉化為企業的決策洞察。
鋰電池生產的工藝復雜、流程較長,任何一個步驟都會影響到成品電池的穩定、安全品質,因此對于生產設備的連續性監測提出了高要求,施耐德電氣推出的預測性維護顧問PMA在鋰電池生產全流程管理中也起到非常關鍵的作用。它利用溫度/振動傳感器實時監測設備的運行數據,同時,運用機理+數理故障預測算法以及邊緣網關,隨時隨地為鋰電池企業報告實時設備健康狀況,準確定位設備故障,并可提供故障維修建議,確保整個生產過程中工藝數據的穩定性。
施耐德電氣能源管理系統EMS為鋰電池生產企業打造“零碳”工廠提供了一項有力工具,幫助企業通過能源計量,精確分析能源消耗分布,進而提供針對空壓機群、燈光、冷/熱源、循環水、供配電、空調等的能源優化控制實施方案,還可實現本地數字化運維功能。
結語
從今年以來下游鋰電池設備廠商的業務運營情況來看,動力電池市場仍處于劇烈“洗牌”的過程中,海外訂單的增長尤為突顯,同時圍繞儲能電池、刀片電池、大圓柱電池等新型鋰電技術,各家都在緊張布局研發適配新工藝的新型鋰電設備,超寬幅涂布及輥分設備、4680圓柱激光卷繞一體機、三工位高速切疊一體機,短刀電芯裝配線,以及滿足復合集流體等創新材料的設備均是行業開發的重點。全力協助中國鋰電池設備商迎接新一輪的技術升級,是目前包括伺服、運控產品線在內的工控自動化廠商的重要工作之一。
比亞迪刀片電池(圖片來源:比亞迪官網)
特斯拉4680大型圓柱電池(圖片來源:特斯拉官網)
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