鋰電池制造的困局與破局

 

鋰電池行業產業鏈的上游主要為正負極材料、電解液、電極基材、隔膜等領域的供應商；中游為電芯制造及封裝行業；下游則主要是動力電池、消費電子等鋰電池的應用領域。

 

圖1：鋰電池行業產業鏈

 

近年來，隨著相關技術水平的日益精進，滲透率的不斷提升，我國鋰電池市場規模快速增長。數據顯示，2019年我國鋰離子電池產量157.22億只，同比增長12.40%。到2020年10月我國鋰離子電池產量為146.35億只，同比增長10.9%。

 

行業的快速增長是眾所期待的發展趨勢，然而發展過程中注定伴隨著挑戰，如何破局而立，變困局為新機，則成為了大多數鋰電池行業企業面對的問題所在。目前我國鋰電池行業內95%企業為中小企業，規模小，技術水平低，主要生產中低端鋰電池產品。2018年6月開始實行的《關于調整完善新能源汽車推廣應用財政支持政策的通知》通過補貼措施表明了對新能源汽車電池能量密度的更高要求，產能過剩的低端鋰電將在新的時代環境下逐步被淘汰。目前，國內動力鋰電池智能制造環節中仍然存在不少問題，主要體現在以下方面：

 

一、 目前國內鋰電制造企業硬件設備多為分段采集，設備之間存在兼容性和多樣性的問題，導致各類工業軟件之間集成度低、數據無法共享流通。

 

二、 鋰電的產品生產和測試數據的采集量大、每個工序有不同管控需求、制造模式屬于流程型和離散型的混合模式，加劇了產業數字化/智能制造的難度。

三、 動力電池尺寸標準規格不統一，國內企業生產了150多種不同規格的電芯，導致單一車型銷量相對較少，限制了標準化規模化智能化的制造發展。

 

四、 動力電池的產品設計和制造工藝技術沒有完全成熟，特別是電池模組的關鍵生產工藝設計不成熟，驗證不夠充分，一次通過量低，且較難實現在線自動測試及品質追蹤。因此，動力電池系統生產仍以半自動化為主，僅有少數電池廠商實現了動力電池模塊或模組的自動化生產。

 

 

激烈的市場競爭環境下，鋰電池廠商不僅需要持續提高產品質量和生產效率，更需要提高設備的柔性化、信息化和智能化水平，從而不斷縮短產品的開發時間和交付周期以適應瞬息萬變的市場環境。因此，鋰電池的智能制造僅僅依靠自動化不再可行，需要實現數字化和智能化。豐富的共享數據庫需要涵蓋從產品設計，到生產規劃、工程、生產和服務等眾多領域，同時融入供應商和客戶。基于穩定性的高效率、基于模塊化的柔性化和標準化，以及基于網絡的高度自動化和信息化都是鋰電池生產智能裝備未來發展的核心特征。

 

 

時不我待：面向未來的鋰電池智能制造

 

在當前系統條件下，鋰電池行業產能交付壓力大，產品規格多樣化特征明顯。想要順應時代，成功轉型，鋰電池制造企業則需要打造柔性化制造模式、縮短交付周期、提高產能、并確保質量。智能制造的“彈性”和“柔性”正是解決全新市場環境中不確定性和復雜性的利器，可滿足大規模產能擴充，并適應不同的產品規格，從而有效控制系統持有成本，有利于鋰電池制造業快速提質增效、降低成本。

 

圖2：數字化轉型現狀與目標

 

 

如何實現鋰電池企業智能制造轉型？

 

鋰電池行業主要工藝及關注點分析

 

鋰電池的生產工藝分為兩段，流程段與離散段。

 

流程段主要是生產正負極材料，涂片及斷切。這一段工藝設備的自動化程度較高，人工參與較少。產品形式是以批的方式進行，所以制造運營管理在這一段是以大批管制方式為主，如正極材料真空攪拌時，車間系統記錄攪拌桶的桶號、攪拌時所加入物料的批號及攪拌時設備的相關參數，粘度數據也在測試后馬上進入制造運營管理系統。生產管理者可以通過制造運營管理系統輕松了解每桶材料的攪拌狀態，生產后也能馬上查詢出該批材料混料時的物料批號及攪拌時設備的管制參數值。流程段的斷切相對來說，對產品的質量影響較小。

 

離散段從疊片/卷繞工藝開始，這也是制造運營管理系統在鋰電池生產過程中管制的重點。在應用制造運營管理系統之后，噴碼工序會前置到疊片，因為電池的質量與熱封機熱封時的溫度及壓力密切相關，所以記錄電池熱封時的溫度及壓力也是系統的主要任務之一。這些數據實時地進入制造運營管理系統后，管理人員可以通過系統實時知曉各熱封機的參數狀態、生產的產量及質量狀況等，為生產及質量決策及時地提供依據。在此環節之后是注液及預充，注液工序的數據采集主要是注液后的熱封數據采集，預充則主要采集分容時不良電芯的相關數據，如條碼、電壓等。二封續充則主要采集派工數據、檢極耳包裝膜短路數據等。續充主要采集分容等級數據。

 

 

然后是復檢出貨，電池在復檢時一般采用AQL水平進行抽檢，制造運營管理系統在與檢測設備連接后，檢測的數據將進入系統，系統則會自動按照已設定的AQL檢驗方法進行接收或批退，檢測數據也會與條形碼進行關聯。復檢后的包裝也是制造運營管理系統在電池行業應用的一個關鍵，以便實時獲取準確詳實的包裝箱號以及箱號與箱中所有條碼的關聯關系等相關信息。

 

總的來說，制造運營管理系統（MOM）在鋰電池行業的應用主要作用有：

 

1. 實時質量監控，將質量問題的事后補救改為事先預防。
2. 工藝關重參數監控，盡可能保障鋰電池的工藝安全。
3. 包裝的詳細記錄，做好應接客訴的充分準備。
4. 產量及質量的實時查詢，減少計劃部門的交付壓力。
5. 實現生產過程的可追溯性，快速地確定召回范圍。
6. 無紙化生產管理，節約人力成本。

 

 

圖3：鋰電池生產工藝流程

 

 

MOM先行，賦能企業智能制造升級

 

根據鋰電池生產的工藝和特點，企業可以規劃9大核心功能：高級計劃排程、數字化工藝執行、生產質量管理、生產執行、設備管理、工業互聯應用、精益看板及生產指揮中心、應用App、主數據及建模。

 

圖4  MOM核心功能架構圖

 

一體化MOM系統的建設和實施，可賦能企業智能制造的轉型與升級，持續提升工藝管理、計劃排產與執行、設備互聯、質量管理、物流配送等業務流程的自動化水平。一體化MOM系統通過設備互聯將IT和OT有效結合，提高生產制造設備的智能化水平，實現工廠生產自動化、無人化、智能化，同時可以大幅縮短企業相關產品的制造周期，降低運營成本，提高生產效率。

 

企業通過MOM系統實施，可以夯實工藝、計劃和執行的基礎，實現工藝模型化、計劃精細化、執行透明化；亦將補齊配送和互聯的能力，實現配送精準化和要素互聯化；在質量、協同以及管理決策方面，實現品控數據標準化，以及決策科學化。

 

 

企業可以通過 MOM實現什么預期收益？

 

注：該數據為經驗數據，僅供參考。

 

 

攜君共進：打造一體化 MOM平臺

 

作為一家為全球客戶提供3DEXPERIENCE解決方案的領軍企業，達索系統為企業和客戶提供虛擬空間以模擬可持續創新。產品涵蓋研發設計、供應鏈計劃、工程仿真、制造運營管理等各個制造環節，達索系統的解決方案改變了產品在設計、生產和技術支持上的方式。 

 

 

圖5 達索系統數字化制造解決方案版圖

 

達索系統的DELMIA Apriso是一款基于業務流程的可配置化制造運營管理平臺(MOM)，按照ISA-95標準構建，覆蓋制造環節包括但不限于資源計劃、生產制造、質量管控、倉儲物流、設備物聯與人員管理等多個業務領域，廣泛應用于航空國防、汽車及零部件、工業裝備、船舶及海洋工程、高科技電子、生命科學、能源等多個行業。相比一般的制造執行系統(MES)，DELMIA Apriso擁有著更加寬廣的業務覆蓋度，更好支持多工廠管控與多工廠快速推廣部署，更準確的制造大數據分析與實時監控，以及更柔性的業務流程與邏輯配置。

 

圖6  DELMIA Apriso制造運營管理平臺架構