智慧製造解決方案助力實現永續性電池生產

作者 : Henry Claussnitzer,Omron Europe業務專案經理

什麼樣的電池及製造流程能滿足不斷提升的市場需求與嚴苛要求?製造商又如何在將工作流程自動化的同時優化工廠的環境永續性、效率和品質?

為支援快速成長的電動車產業,以及能源轉型、氣候變遷和環境永續性等議題,需要革命性技術的支援,可以大幅降低二氧化碳排放量的車輛動力替代方案也迫在眉睫,電池製造業的發展因此變得越來越重要。但是,什麼樣的電池及製造流程能滿足不斷提升的市場需求與嚴苛要求?製造商又如何在將工作流程自動化的同時優化工廠的環境永續性、效率和品質?

嶄新的全方位自動化概念此時具有迫切的意義,例如那些基於人工智慧(AI)和機器人技術的方案。這些概念應該將市場要求,以及決策者和電池產業的需要納入考量。所以,電池生產該朝向什麼趨勢與未來方向發展,才能有助於廠商在電動交通能量儲存方面取得領先?

永續性電池生產的重要性

顧問機構Corporate Knights發表的最新報告顯示,來自丹麥、法國和芬蘭的公司在全球最具永續性企業100強中處於領先地位;製造商可以並且應該效法這些公司,在滿足市場對創新、高性能、可靠的電池技術不斷成長需求的同時,確保高效率和永續性生產。

根據德國機械設備製造業聯合會(VDMA)的電池生產藍圖(Roadmap for Battery Production),到2030年,歐洲市場將佔據全球電池市場需求的30%左右,只靠亞洲供應商和少數歐洲新創公司無法滿足這樣的需求,因此現在就需要採取行動。

歐盟的「2030+」計畫旨在讓歐洲在未來的電池技術競賽中處於領先地位,其終極目標是為電動車、可再生能源儲存,以及機器人、醫療電子與航太等眾多其他尖端技術應用,開發和有效生產具安全性、永續性的高性能電池芯。

電池產業面臨的挑戰

理論雖如此,但電池產業目前仍面臨很多有待克服的障礙,例如在高性能電池單元的生產過程中,據估計目前總電池芯產量中只有七至九成是可用的,其餘都有缺陷;許多電池在車廠或系統整合商進行適用性測試時也無法過關。

電池製造商必須致力於以更具永續性方法進行生產、避免浪費,同時滿足穩定成長的品質要求,解決成本和競爭帶來的壓力。以歐洲許多國家的情況為例,需要以創新的解決方案來解決具技術經驗勞工短缺問題,並尋求彈性化製造解決方案以因應多變的消費者需求。

使用者除了要求更大電池容量與更高品質,也期望電池更安全、使用壽命更長,還有電動車能在不需要中途充電的情況下行駛更長距離。

圓柱形、方形與袋式電池的比較

電池有很多類型,如圓柱形、方形和袋式(pouch)電池,製程也不一樣,這衍生一個重要問題:不同類型電池各自的優勢為何?分別適合哪些應用?

圓柱形電池應用最多,活性層(active layers)包圍著內部電極周圍;而袋式電池通常採用軟性鋁箔包裹其堆疊層,生產成本比其他兩種電池高昂許多。但是從其他所有方面來看,袋式電池的平均得分高,因為薄而扁平的形狀使其適用於各種技術和車型。

袋式電池還有一個優點是優異的散熱性能,在快速充放電速率下溫度只會略為升高;圓柱形或方形電池在相同情況下會變得很燙。儘管目前的生產成本較高,但以其可靠性、耐熱性和軟性而言,袋式電池是最適合支援眾多應用情境。

VDMA的最新資料突顯了此細分市場的成功發展趨勢,指出2017年袋式電池市場規模僅100 GWh,該數字到2028年可望達1,000 GWh;這種等級的產量需要大規模的工廠產能才能支援,產業專家指出,僅35 GWh的袋式電池容量就需要35條生產線。

AI與智慧機器人、機器視覺技術的結合,將有助於實現上述目標。從可預測性維護能力提供的高效率機器維修為出發點,這些技術也能在未來對其他領域的先進製程自動化做出貢獻。


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袋式鋰離子電池生產技術創新

電池製造商需要在品質、生產效率和資源有效利用方面有卓越表現才能從眾多競爭對手中脫穎而出。隨著電動交通向前邁進,更先進的電池技術不斷被開發,以確保車輛的可靠性、安全性和運作。

袋式鋰離子電池能滿足目前工業和汽車製造業一些最重要的要求,但是袋式電池的生產比圓柱形電池更複雜、要求也更高;這意味著對於生產的特殊要求,為此製造商正朝向以AI技術來支援製程,例如提升機器效率、確保零缺陷生產。

AI、感測、控制和機器人技術的結合

 電池製造商不僅需要適應不斷變化的電動交通應用市場,還需要讓生產線比過去適應速度更快、更靈活,才能滿足不斷變化的需求。在單一自動化平台上結合AI、感測、控制、安全性和機器人等技術,有助於滿足客戶對產品品質和可預測性維護的所有要求,還可以實現重要的永續性目標。

此外,對整合式電池芯檢測方案以及電極、電池模組製造解決方案的支援,有助於精簡測試過程,並在整個電池生命週期中提供端對端的可追溯性。

以技術實現永續性

為了實現創新、靈活與未來導向,電池製造商和供應商需要能提供有力技術支援與合理建議的可靠合作夥伴。以AI為基礎的全方位解決方案能幫助製造商減少浪費,再結合行動機器人支援的智慧倉儲系統,製造商可以進一步提高製程效率和生產力。

在此同時,應該以生產和產品生命週期控制解決方案持續監控電池品質(包括電池容量與使用壽命),並由生產線上檢查系統提供支援。這樣的解決方案需要考量從電池生產、使用到回收的所有步驟;能佈署這些技術,就代表電池廠商已經朝著實現永續性工廠、永續性電池生產的目標邁出了重要的一步。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年11月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:Challenges and Trends in Sustainable Battery Manufacturing,by Henry Claussnitzer )

 

 

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