动力 + 储能产能爆发, 锂电池设备、零部件供应趋紧

文: 编辑部2022年第二期

  当前,全球锂电池行业进入到新一轮扩产期,不仅动力领域在扩张,储能和 3C 数码领域也同样加速成长。这些市场的集中扩产,对锂电池生产设备的需求呈现出爆发式的增长,在这一趋势下,也对设备厂商的供应能力带来了巨大的冲击。作为锂电池设备供应链中的一环,包括 PLC、伺服系统、直线模组、工控机、机器人、IO 模块等产品线在内的众多工控自动化厂商迎来了一次良好的发展机遇,但与此同时,在产品 / 方案的技术开发、企业供应链的管控等方面也面临着一定的考验。

锂电池

  产能迅猛扩张 原材料价格暴涨

  根据工业和信息化部发布的数据显示,2021年全国锂电池总产量约为324GWh,同比增长106%;其中消费、动力、储能型锂电产量分别为72GWh、220GWh、32GWh(如图1所示),同比增长依次为18%、165%、146%,从中可见,动力和储能已是锂电池增长的两大细分市场。动力锂电池市场主要指的是电动乘用车、电动客车、电动自行车、电动工具等领域;储能市场则主要包括新能源储能、通讯基站储能、工商业储能、家用储能等领域。而在近期工信部公布的最新数据显示,今年前两个月全国锂电总产量超过82GWh,其中储能电池产量超9GWh,新能源汽车动力电池装车量约30GWh,与上年同期数据相比,均继续保持高速增长的势头。

  新能源汽车一直都是锂电池行业重点的开发市场。在今年的“中国电动汽车百人会年度论坛”上,国家发展和改革委员会副主任林念修表示,2021年新能源汽车行业呈现出市场和政策双轮驱动的特征,在市场化程度逐年提高的同时,要统筹布局好新能源汽车产业高质量发展,引导产业向发展基础好、产能利用充分的地区和主体聚集,在现有基地打造合理规模之前,不再新增产能布点。

  在新能源汽车产业高质量发展的大趋势下,2021年可谓是动力电池行业的技术大年,围绕能量密度、安全、成本、循环寿命这些重要指标,厂商们纷纷推出一系列新技术路线的锂电池产品。一些值得关注的开发动向有:宁德时代推出的第三代CTP高效成组技术(内部称其为麒麟电池)预计于今年四月正式发布;蜂巢能源开发出无钴电池、果冻电池等;比亚迪于4月3日宣布停止燃油汽车的整车生产,其开发的刀片电池开始在国内多家车厂的整车中得到运用。另外,在海外部分,松下电器集团宣布将力争在3年内实现无钴电池的量产;今年1月LG化学旗下子公司LG新能源正式登陆韩国证券交易所,募资总额达到110亿美元,成为韩国资本市场有史以来最大的一次IPO,发起了对全球锂电池市场第一位置的强力冲击。

  而在储能市场,去年4月中央两部委发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》要求,到2025年新型储能装机规模要达到3000万千瓦以上。国泰君安表示,至2030年,以发电侧和用户侧新增储能渗透率达到60%以上计,全球储能新增市场需求将达1361Gwh,十年复合增长率突破150%;中国市场储能也将突破660Gwh,产业规模达到33.1亿元。

  2022年以来,整体锂电池市场的一个突出现象是上游原材料价格的飙升,如:电池级碳酸锂从去年年初的约5万/吨,一路暴涨到近期的约50万/吨(如图2所示),加上镍、钴、铜等电池原材料的价格也一路攀升,使得多家动力电池厂家的产品价格普遍上涨了15%,甚至部分客户涨幅达到20-30%。有行业专家指出,今年材料涨价的一个原因就是整车需求的增长,电池预期走高,企业扩大产能、增加储备;另一个原因是供给延迟,因为典型的矿石生产的碳酸锂,产能释放周期是3-5年,卤水提锂周期更长;另外疫情冲击也影响到锂资源的生产,特别是交通运力影响了货物供应。并且,这波“疯狂”也直接传导至下游整车终端,今年以来,特斯拉、比亚迪、小鹏、东风小康、上汽通用、爱驰等车厂陆续发出涨价通知,涨价趋势仍在蔓延之中。

  锂电设备迈向自动化、一体化和智能化

  得益于锂电池行业的高速发展,以先导智能、赢合科技、利元亨、海目星、杭可科技、大族激光、吉阳等为代表的一批中国本土锂电池设备厂商在最近几年迅速崛起,并且跟随着锂电池厂商的脚步,在实现产能扩张的同时,国内厂商也快速打开国际市场。根据高工产研锂电研究所(GGII)近期发布的统计数据显示,2021年国产锂电池设备市场的规模约为575亿元,与上年同期相比增长速度翻了一倍(如图3所示)。

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图 1 2021 年全国锂电池总产量统计

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图 2 2021 年 -2022 年 3 月碳酸锂价格走势

  2022年产业供应链的紧张局面同样传导至锂电池设备环节,大部分锂电池专机设备的价格呈现逐渐提升的趋势,较上年同期订单价格的涨幅约10-20%,具体价格涨幅与客户体量以及是否签订长期协议有关。目前设备供应商的正常交付期一般为3个月,去年由于扩产量较大,交付期基本都有1-2个月的延迟,相对而言,大型供应商的交付与售后服务能力更强。现在对于大多数锂电池设备公司来说,最主要的工作就是“保供”,那些能够在短时间内快速提升产能、按时完成客户交付的厂商,将在未来的竞争中赢得先机。

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  图 3 2017-2021 年中国国产锂电设备市场规模统计(单位:亿元,%)(备注:锂电设备仅针对生产环节中使用的设备,不包含机器人及国外进口设备,数据来源:高工产研锂电研究所 (GGII),2022 年 3 月)

  在技术开发方面,现阶段,加强锂电设备自动化、一体化和智能化研发,帮助客户不断降本增效,是众多厂商重要的工作目标。例如:整线和单机在开发的难度上呈几何倍数增加,先导智能经过十余年的深耕,目前在前段、中段和后段整线产线的开发上保持着一定的优势;赢合科技研发出了高速切叠一体机、一出六激光模切分切一体机、高速包膜入壳机等创新设备,持续在效率、成本、安全指标上突破技术与制造“极限”;利元亨敏锐捕捉到叠片机的发展先机,深入研发高速动力切叠一体机,现已获得行业头部企业的广泛认可,实现批量生产,此外,对于新型 4680 电池,利元亨也已提前储备好对应的研发技术,目前验证平台数据反馈较稳定,卷绕、揉平、装配、焊接、化成等每道工艺的参数都达到技术要求。

  紧跟锂电设备行业的迅猛发展,作为关键功能零部件供应商的伺服系统、运控系统、直驱技术等产品线厂商也积极投入到这一波建设热潮之中,同时机器视觉、传感器等先进技术也正在被逐步引入到这一领域,为锂电池设备的自动化、一体化和智能化发展奠定坚实的基础。

  运动控制:高速、高精、标准化

  在动力锂电池设备中,常用到的工控产品包括:PLC、伺服系统、直线模组、工控机、机器人、IO模块等等。由于应用规模较大,例如有的一台锂电设备就需要使用到超过50部以上的伺服驱动器,因此用户市场对于伺服产品的性价比要求较为严苛,这令到某些市占率较高的日系品牌比较具有优势。与此同时,从去年开始,上游芯片元器件供应普遍趋紧,一些国际厂商的供货交期拉长,在目前锂电池设备厂商全力“保供”的前提下,这也为国内工控厂商提供了一个良好的市场机会。

  在涂布、模切、卷绕、叠片、顶盖焊等对设备的运行速度、精度、稳定性等要求极高的核心工序中,运动控制系统正发挥着越来越重要的作用。以雷赛智能基于EtherCAT总线的PLC+伺服+步进运动控制解决方案为例,系统提供3.2kHz速度环带宽、最小125μs总线周期,实现快速高效的响应和高控制精度;电流环20MHz的采样频率,实现高精度张力闭环控制;优化的归一化增益参数,结合单参数MFC调整,实现快速高效伺服调试,以应对轴数多调试耗时问题;通过对工艺流程的不断深挖,优化各轴间协同配合,提升关键轴效率,减少等待时间,可满足涂布、叠片、卷绕、封包、注液、化成等工序的应用要求。其中,PMC600系列中型PLC运动控制器具备丰富的控制功能,内置高速飞拍及锁存、多种行业功能算法、支持IEC61131-3标准、支持PLCopen标准功能块、可扩展32个模块、EtherCAT总线可扩展32轴。

  目前动力锂电池设备开发的另一个“痛点”是,驱控品牌多元化、软件平台各具特色、离线仿真技术参差不齐等,这些为整体系统的开发增添了大量重复、低价值、繁琐的工作量,迫切需要工控部件厂商能够提供开放的接口、支持仿真调试功能,并且可以在云端更新、储存电机参数。

  为此,利元亨在工控应用领域进行了大胆的探索,在对标准化平台的建设过程中,通过深入剖析各家客户对同类项目产品工艺技术要求的共性与差异,结合多年来在非标定制化领域所积累的开发经验,利元亨对驱动调试、HMI人机界面、跨平台自动编程、工程项目管理、电气配线、电气设计仿真等应用层面进行了大胆的探索与尝试,逐步建立起了标准化的工艺库、器件库,以及编程/命名规范,并在标准化工艺平台的基础上,进一步将内部的技术模块形成通用技术,最终沉淀出一整套标准化平台,以工具驱动标准执行,加快了对产线装备的开发效率,提升了交付质量,同时也大幅提高了设备的智能化水平。

  引入视觉与传感器技术,确保高品质

  随着现阶段锂电池生产工艺的不断升级更新,在生产过程中,越来越多的关键节点需要进行管控,以确保产品具备更高的安全性、可靠性和产品寿命。

  例如,在动力锂电池的生产流程中,对模组进行全尺寸测量是模组在下线前的最后一道关键工序。测量项目包括但不限于:四个安装孔宽度方向尺寸、四个安装孔长度方向尺寸、模组总长、模组总宽、模组总高、底部平面度、四角平面度、安装孔平面到对侧端板高度差、安装孔尺寸、侧板安装孔位置度等等。SICK可提供视觉整套解决方案,硬件采用SICK开发生产的2D相机以及3D相机,其中RulerXR 300/ Ruler3020相机最大帧率46kHz,实际检测速度可达400-700mm/s;在软件上,搭配SICK开发的EasyRanger软件包,支持客户快速实施;SICK还可根据客户特定的模组类型和尺寸,合理优化激光、镜头等,提供定制化3D相机方案。为了保证动力锂电池的安全性,方形电芯铝壳各个表面都需要进行严格的检测,各种凹坑、划痕等缺陷都会对电池的使用造成严重的隐患,为此,可采用SICK RulerX 70 型号的3D相机监控顶面和窄侧面,宽侧面则使用RulerXR 200 型号的3D相机,同时输出高度(Range)图像、Reflectance图、Scatter图,以满足更多的检测需求。

锂电池

表 1 2022 年部分锂电池设备厂商生产最新动态

  松下提供的传感器技术同样在锂电池生产工艺的关键管控点中得到了广泛的应用,帮助客户构建高质量、低风险、高效率、低成本的生产线。例如:在极片纠偏工序中,采用松下位移传感器HG-T系列,对边缘进行实时监测,通过测得位移量变化值判断偏移程度;在检测外壳尺寸时,松下位移传感器HG-S系列可对外壳表面的位移量进行测量,推算出外壳的尺寸;为了控制点胶机高度,松下位移传感器HL-G1系列点激光传感器采用三角测量法,实时监测滴胶针嘴与目标物的距离;在涂布厚度测量时,松下位移传感器HL-C2系列控制器中自带厚度检测程序,可直接对厚度进行测量;在确认极片位置时,则可以采用松下的图像传感器SV系列及配套算法软件;另外松下静电消除器ER-X系列还可同时实现除静电和除尘功能。

  此外,据报道,在储能锂电池方面,凭借多年来对电力电子与控制技术的开发耕耘,目前汇川技术在构建锂电生态能源领域取得了不错的成绩,公司已为超1万台风机提供了变桨偏航系统解决方案、为300+锂电池产线提供了全产业链解决方案、为300GW光伏项目提供了制成产业链解决方案、为新能源汽车提供了超过100万台电驱动解决方案。2021年,汇川技术开发出500MW电化学/物理储能系统解决方案,并具备超过15种工程机械电动化解决方案。

  全球新能源产业正掀起一波如火如荼的建设热潮,无论是在新能源汽车领域,还是在能源存储领域,锂电池以及更多其他材料/形态的电池(如:固态电池、钠电池、氢燃料电池等)都将在其中发挥重要的作用,电池生产设备、关键零部件行业也正紧跟技术发展趋势,不断进行产品和方案的迭代更新,助力中国新能源制造产业继续保持世界领先地位。

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