Marknaden för litiumjonsbatterier ökar snabbt, driven av efterfrågan från marknaderna för elfordon (EV) och stationär energilagring. Det finns planer på 25 nya jättefabriker i Europa, vilka alla kommer att behöva maskiner och system som kan hjälpa till att optimera batteritillverkningen.
I Europa, där kapaciteten för tillverkning av litiumjonsbatterier var 62 GWh år 2021, uppskattas den att uppnå 664 GWh år 2030. Ambitionerna för tillverkare av industriell utrustning (IEM) och systemintegratörer (SI) som levererar till denna marknad är att erbjuda lösningar som tillhandahåller mervärde för slutanvändarna. Det är där som de senaste lösningarna för högprestandevision och realtidsstyrning kan komma att utgöra ett avsevärt bidrag.
I Europa var efterfrågan på litiumjonsbatterier år 2021 på 58 GWh och den uppskattas att stiga till 400 GWh år 2028. En av drivkrafterna för detta är den europeiska gröna given (Green Deal) som syftar till att kapa 55 % av Co2-utsläppen2-utsläppen fram till år 2030 och vara koldioxidneutral år 2050. Denna gröna giv utövar tryck på tillverkarna att utvärdera nya tekniker, varför så många av motorfordonstillverkarna migrerar mot elfordon och energibolag mot förnyelsebara energier. Båda kräver teknik för litiumjonsbatterier.
Krav på leveranskedjan
Leveranskedjan vid batteritillverkning börjar vid brytning av råmaterial och raffinering av dem till exempelvis litium, mangan, kobolt och nickel. Tillgången till dessa material möjliggör tillverkningen av battericeller. Ett cellkluster utgör batterimoduler (en låda med terminaler) och ett modulkluster utgör ett batteripaket (med elektriska anslutningar, kylutrustning och hanteringssystem).
Hela livscykeln för litiumjonsbatterier och deras komponenter erfordrar ett stort antal tillverkningsmaskiner och testutrustning. Som ett exempel kan man nämna elektroder (anod och katod) som innefattar blandning, ytbehandling, pressning och slitsning/separering av slam som förberedelser för slutlig torkning, hopsättning och inspektion. De maskiner som underlättar dessa förfaranden är av yttersta vikt eftersom eventuella produktionsdefekter kan minska battericellens kapacitet, livslängd och prestanda eller till och med orsaka olyckor som kan äventyra mänskligt liv.
Dessa maskiner är vanligtvis komplexa. Maskinerna för slitsning/separering, exempelvis, kan innehålla 40 rörelseaxlar och I/U-styrning, något som kräver användning av de senaste teknikerna för realtidsstyrning och maskinvision.
Högpresterande visionssystem
För att hjälpa maskinbyggare att dra nytta av de tillgängliga möjligheterna kan specialisten på automationsmaskinsvara Advantech samt dess ekopartner Intel och Nvidia erbjuda två systemtopologier för högpresterande visionssystem: en skalbar industriell PC (IPC), för montering i rack eller som torn, som innefattar många expansionsplatser för att integrera vision, rörelse, I/U eller kommunikationsfunktionsblock i en plattform; samt en kompakt, fläktlös IPC installerad med stor beräkningskraft, höghastighets visionsgränssnitt och anslutning till rörelse- och I/U-styrsystem, vilket erbjuder maximal flexibilitet för IEM och SI att konstruera sina lösningar för maskinvision.
Advantech har en komplett uppsättning i sin högpresterande visionsplattform, inklusive 350/446 mm litet djup 4U/2U rackmonteringssystem ACP-4020, IPC-631 och ACP-2020G, IP65 robust låda PC ITA-460 för tung användning med AGVs/AMR, modulär fläktlös låda PC MIC-770 V3, som möjliggör för användaren att lägga till de olika I/U-moduler som projektet erfordrar och en allt-i-ett maskinvisionsstyrning AIIS-3411 med FPGA realtids-I/U, belysningsstyrning för höghastighets-AOI. Alla innefattar den tolfte Gen Core i processorteknik.
Helt i linje med förväntningarna på högpresterande visionssystem finns AI-acceleratorer tillgängliga för produkterna i NVIDIA:s serie Quadro GPU som uppvisar lång livslängd, industriell tillförlitlighet och hög beräkningskraft för bildskapande, analys och AI-träning/inferens, tillsammans med gränssnitt för optisk laserförskjutning eller röntgensensorer.
Dessa tekniker kan hjälpa till med en stor omfattning av uppgifter vid elektrodtillverkning, exempelvis mätning av ytbehandlingsdensitet, ytbehandlingsinspektion, bredd- och kantinspektioner vid pressningsoperationer och skärkantsinspektion i slitsnings-/separeringsförfarandena. Det sista är mycket viktigt eftersom eventuella grader skulle kunna spetsa batterisepareringen och potentiellt orsaka brand. Ytterligare tillämpningar inkluderar staplingsinriktning och svetsningsinspektion under hopsättning samt skal-/fickinspektion i formerings-/åldringsförfaranden.
Realtids rörelsestyrning och I/U-plattformar
Oavsett om det handlar om inledande tillverkning av elektroder på rulle eller senare hopsättning av celler eller slutprovningsförfaranden så kan realtids styrningsplattformar spela en avgörande roll för tillverkningens utbyte. Dessa avancerade system kan exakt styra spänning, internethastighet, linjebelastning eller inriktningskorrigering liksom rörelserna för exempelvis en industriell robot eller AGV.
Advantech och dess mjukvaruekopartner Acontis erbjuder en trio av maskinbyggnadstopologier för realtids styrsystem: PC-centrerad, PLC-centrerad och HMI-centrerad
För PC-baserade tillämpningar, MIC-770 och UNO-148 avancerade, fläktlösa PC:er med PCIE-1203 EtherCAT masterkort eller Acontis EtherCAT master mjukvarustack föreslås som avancerade styrningslösningar för maskinbyggare/systemintegratörer som är bekanta med högnivåprogrammering. Acontis EtherCAT-lösningar, som är körklara med upp till 25 operativsystem, levererar hög prestanda och låg CPU-belastning för att uppnå snabba uppdateringshastigheter för tillämpningar som integrerar fleraxliga rörelse- och I/U-styrningar såsom den tidigare nämnda slitsningsmaskinen med 40 axlars styrmekanismer.
För PLC-centrerade och HMI-centrerade lösningar rekommenderas ultrakompakt, robust låd-PC UNO-137, modulär PAC AMAX-5580 och modulär panel-PC TPC-B610/B200 med CODESYS som traditionella styrningslösningar som möjliggör för IEM/SI att utveckla styrningsmjukvara med IEC-61131-3-språk på kraftfulla X86-plattformar med kundanpassad funktionalitet och flexibla I/U-gränssnitt.
Lösningar för molnanslutna styrsystem
Intelligent tillverkning är avgörande för jättefabrikerna på grund av marknadens natur med höga volymer och avancerad teknik, produktionseffektiviteten måste vara stor för att uppfylla den snabbt växande och konkurrenskraftiga marknaden; olika tillverkningsrecept och -tekniker måste kunna implementeras i produktionen eftersom batteriutvecklingen fortfarande pågår (exempelvis NMC till LPF, 2170- till 4680-storlek, vätske- eller chippbaserad elektrolyt).
Advantech erbjuder DeviceOn + iBMC fjärrhanteringslösningar för fältenhetsbildskärm/-styrning, trådlös mjukvaruuppdatering och katastrofberedskap, för att minimera risken för linjestillestånd och kostnaderna för anläggningsunderhåll. Den robusta, fläktlösa kantservern MIC-790 samt kantplattformarna MIC-770, IPC-200 och UNO-serierna som är certifierade av AWS IoT Greengrass och Microsoft Azure aktiverar utrustningsanslutning till molnet och underlättar realtidssvar, fältadatainsamling, säker och optimerad nätverkstrafik, som alla är väsentliga lösningar för Industri 4.0 och smarta fabriker för batteritillverkning.
Konkurrensfördel
De senaste lösningarna för högprestandevision och realtidsstyrning understödjer fabriker för framtida koncept, i vilka jättefabrikerna måste modelleras för att kunna öka produktivitet och kvalitet samt minska kostnaderna. Den elektriska drivlivan i ett EV står för ca 50 % av den totala kostnaden (jämfört med endast 16 % för den konventionella ICE-drivlinan).
Battericellerna är de mest kostnadsintensiva komponenterna, utgörande ca 75 % av kostnaden för ett batteripaket. Därför kommer de maskinbyggare och systemintegratörer som kan hjälpa jättefabrikerna att öka effektiviteten i battericellstillverkningen helt säkert att framstå som branschledare.
