机器人助力新能源:低碳时代的领先突破

文:2024年第一期

  随着全球气候变化的加剧,碳减排成了全球关注的焦点。对此,中国政府提出“3060碳达峰、碳中和”的重要目标,计划在2030年之前实现二氧化碳排放的峰值,在这之后碳排放将逐渐下降,另一方面中国承诺2060年实现净零排放,中国将在生产和能源消耗方面采取措施,不对全球气候产生额外的影响。

  确立目标后,中国加快推动“碳达峰、碳中和”,致力于实施可再生能源替代,加快推进绿色低碳转型,因此大家把目光锁定到了光伏、锂电等新能源行业。

  2018年之前受补贴政策驱动,中国光伏装机量大幅增长,引领全球装机进入100GW量级,MIR预计,至2025年全球光伏新增装机量将超300GW(图1)。

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图1 2015-2025年全球新增及累计光伏装机量统计及预测情况/GW

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图2 2017-2025年全球动力电池新增装机量/GWh

  据韩国研究机构SNE Research统计:2022年全球动力电池装机量约为518GWh,同比上涨72.1%,2017-2022复合年增长率为54%,此外SNE Research还进一步预测了2023年全球动力电池装机量预计将达到749GWh(图2)。

  光伏、锂电新增装机量的迅速增长主要部分还要归功于成本的大幅下降。

  根据公开信息整理,近10年间,全球公用事业级光伏电站的加权平均平准化发电成本(LCOE)下降了89%,从0.445美元/kWh下降到0.049美元/kWh,2022年,同比下降3%,而这场变革的核心正是机器人产业渗透,推动产业智能化、数字化,走向了“降本增效、提升光电转换效率”的主干道。

  1 “布局光伏产业数字化“以机器人为核心 ,打造光伏产业智能工厂

  2020-2023年,光伏市场进入扩张期。在“双碳”政策驱动下迎来了发展高峰,技术的成熟以及新技术的发展给机器人带来了更多的应用机会(图3)。

  在光伏电池、组件制造环节中, PECVD镀膜、串焊作为整个生产线的核心工艺,会直接影响太阳能电池的性能、效率及可靠性,对环节技术、精度要求非常高,无论是对产品的高质量、高速度、高精度、均匀性、创新性、环保性,都存在着难以跨越的以下几个难点。

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图3 2017年~2023E中国光伏行业机器人销量推移(单位:台;%)

  (注:机器人市场规模包含光伏硅片、逆变器、玻璃、电池片、组件、支架使用的机器人)

  (1)电池端

  PERC电池效率已经接近理论极限,N型电池片TOPCon因与PERC产线具有兼容性,作为PERC的有效替代,2022年以后加快产能扩张,给机器人应用带来了更多机会,插片应用机器人需求随之大幅增长(图4)。

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图4 2022年中国光伏插片机器人市场格局(单位:台)

  目前插片应用机器人市场相对集中,特别是PECVD插片,因对机器人性能要求较高,目前主要被外资品牌主导,内资厂商也在积极布局。外资厂商以史陶比尔TX2-90系列机器人最受好评,凭借产品的高精度、高速度、高稳定性和低维修保养需求,获得终端客户的普遍认可。

  (2)组件端

  2019年以来,随着半片、三分之一片等多分片电池逐步成为市场主流,串焊加工的生产负荷翻倍提升,高速多分片串焊机逐渐开始替代传统的整片串焊机,高速SCARA机器人的需求大幅增加(图5)。

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图5 2022年中国光伏串焊市场格局(单位:台)

  史陶比尔凭借TS2-60和TS2-40高速SCARA机器人,在串焊机上下料的应用上,以最高的产能、摆片精度与高耐久性,获得了终端客户的广泛好评。

  不论是在PECVD还是串焊的工艺中,看似简单的 “插片”和“电池搬运”动作,对于机器人来说,其实面临着诸多挑战:

  l 硅片尺寸越来越大,越来越薄,更易碎裂与划伤,为了提升良率,需要更精准的定位精度和长期稳定性;

  l 单位时间产能要求越来越高,需要更高的生产效率能够有效地降低成本;

  l 产线布局紧凑、设备内部运动空间受限,需要小巧的底座与灵活的姿态;

  l 需要长期可靠的刚性与耐久度,以减少停机维修保养的损失。

  以史陶比尔用于插片应用的TX2-90L 六轴机器人和用于串焊应用的TS2-40/60 SCARA机器人为例, 这些产品均采用了史陶比尔专利的高性能JCS减速器,六轴机器人还采用了JCM集成马达技术,给客户带来了多方面的收益:

  l 高产能:用于PECVD工艺石墨舟高速插片单机产能可超过单机9000片/小时;用于串焊单抓搬片双机产能可达9000片/小时;

  l 高精度:大幅减少碎片、划伤与露白的概率;

  l 高稳定性:长期使用精度稳定,点位不偏移,可大幅减少设备校准与维护的工作量。

  2 数字化锂电池 智能化锂电

  除了光伏行业之外,锂电池作为一种储能技术,可以帮助平稳供应电力,降低能源波动对电网的影响,从而促进可再生能源更广泛的应用,因而也是双碳目标下另一主要目标领域。

  近几年,动力电池头部企业纷纷加速大规模扩产,锂电池行业正在向“TWh”迈进。高性能、高质量、高效率是支撑锂电池行业向高端产业迈进的核心动力。如何解决行业供应链高端可控的“痛点”呢?那就是——实施数字化战略,建立智能锂电池工厂。

  2022年,锂电池机器人呈高速增长趋势,虽然消费电池市场疲软,但由于动力电池和储能电池加速扩产,因而拉动机器人市场需求增长。大规模扩产即对生产线的效率和质量有着更高效率的要求,MIR预计2023-2024年锂电池行业将以动力电池和储能电池行业的机器人导入为主,带动锂电池市场的机器人使用量长期增长(图6)。

  机器人技术迭代非常快,这些机器人在生产工艺中发挥着关键的作用,特别是在锂电池电芯制造核心工艺的叠片工艺方面。

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图6 中国锂电池行业机器人应用情况推移及预测(单位:台)

  在电池生产工序中,叠片是一个非常重要的步骤。叠片即将正极材料、负极材料和电解质等层叠在一起,以构成电池的电化学结构,叠片过程需要确保各个层之间的均匀性和紧密性,以保证电池的性能稳定,不良的叠片可能会导致电池内部的不均匀分布,增加内阻,降低能量密度,甚至引发安全问题,这一步骤的质量和精确性对电池性能和寿命都有重大影响。

  制芯工艺中,卷绕工艺更成熟、生产效率更高,为当前动力电池主流制芯工艺,叠片工艺受制于生产效率和产品质量控制等因素,目前主要在方型和软包电池领域小规模应用。

  卷绕工艺及叠片工艺两种叠片方式均采用“Z”字形式叠片,但卷绕工艺比机器人式叠片结构复杂,多纠偏、转运机械手等组件,且占地面积也较大,卷绕工艺叠台固定,隔膜摆动,机器人式叠片则相反。虽然直卷绕工艺发展时间更长,更成熟,但随着新能源行业的发展,机器人叠片工艺凭借稳定的结构、小体积、结构布局简单紧凑、调试简单等优势获得更大的竞争力而成为后起之秀。长期来看,在电池高安全性能、高能量密度的趋势下,叠片工艺是大势所趋,蜂巢能源、BYD、LG化学、三星SDI、松下等电池巨头都将叠片技术纳入下一阶段布局目标。

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图7 2022年叠片机器人应用情况

  2022年叠片市场机器人出货量超过1000台,其中史陶比尔占据市场超95%的占比(图7),牢牢抓住市场机遇。史陶比尔首创全封闭式TS2系列SCARA机器人,用于切叠一体机方案中电池片搬运场景,与业内头部客户深入绑定。TS2系列SCARA机器人配备专利JCS驱动技术,拥有超快速度以及高重复定位精度,开放的uniVAL Drive 同步运动控制技术,可实现叠片台上的机器人、夹具及外部设备的一体化运动,显著提高叠片效率,且机器人兼容性高,稳定性好,调试简单,节拍可满足市面上绝大部分客户的需求。

  设取极片位置到叠台距离600mm为例,对比分析,相同传输距离条件下,机器人叠片方案效率更高,用时更少。从机器人的稳定性方面,空间布局方面,优点都尤为突出。

  此外,史陶比尔机器人事业部执行总裁Christophe Coulongeat还表示,史陶比尔非常重视中国市场发展机遇,在与中方合作伙伴深入合作的同时,将持续加大在华投资,推进本地化进程与创新能力,在食品、制药、医疗、光伏和半导体、汽车、金属、激光等领域为客户提供卓越的产品和解决方案,为每一个应用提供最佳选择。

  3 结语

  总的来说,机器人技术已成为新能源行业智能化与数字化进程的核心路线,早期布局新能源,更有利于与新能源公司建立紧密的联系,也可以在市场上占据一席之地,建立品牌声誉和市场份额,随着行业的成熟,获得更多的竞争优势,实现长期的商业成功。

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