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2021 年除了全球晶片荒之外,「鋰電池」的產業需求同樣讓各國政府嚴陣以待,企業採購則當成必備戰略、高度繃緊神經,美、德、日、中等大國無一不及早佈局設立本地產業鏈,就怕「電」到用時方恨少。

不只電動車,自 3C 產品、無人機、電信基地台、儲能設備等各種應用,都用得上鋰電池作為能源動力。當然,手機、筆電能待機多久?電動車滿電可以跑多遠?停電時公司裡的 UPS 能夠撐幾個小時?這些消費者、企業用戶高度關注的問題,都與鋰電池有關。

全球新興能源市場調研機構 SNE Research 預測, 2023 年,全球電動汽車對動力電池的需求將達 406 GWh(10億瓦時),但動力電池供應將會有 18% 的缺口。傳統日、韓、中為鋰電池出口大國,台灣則自 1994 年以來正式成立電池協會,本地產業鏈就開始逐步積累能量。近來儲能議題逐步躍上舞台,本地生態系更有一躍而起的好時機。

台達機電事業群應用技術中心資深課長伍蒙指出,「這幾年電池技術不斷精進,已經從最早的鉛酸電池進化到現在大家常聽到的鋰電池。」那麼鋰電池已然成為目前市場的主流技術嗎?

鋰電池運作原理介紹,市場兵家必爭主攻 3 大重要行業

伍蒙先解釋鋰電池的運作原理。「簡單來說,鋰電池是靠著鋰離子在正負極之間不斷來回移動來充放電。」這項技術的特色是能量密度高、電壓高、壽命長,更重要的是沒有記憶效應,「過去我們常遇到的電池老化,手機用了一段時間就必須換新電池的狀況現在已經非常少見,這就是鋰電池的功勞。」也因此這是一種高效而且可以循環利用的綠色能源電池。

拜此高效且綠能特色,鋰電池的應用越來越廣泛,產值也快速擴大。他點出目前鋰電池有三大主要行業應用,包括工業儲能、消費性電子和電動交通工具

其中工業儲能在太陽能、風電等新能源與 5G 通訊技術推波助瀾下,過去 5 年來,每年都有 20%~30% 的成長幅度,消費性電子市場雖已漸趨飽和,但年成長率仍維持在 8%,至於最被外界看好的電動交通工具行業領域,更是隨著電動車銷售提升可望成為未來鋰電池的高速增長點,根據市場調研機構 MIR 睿工業指出,光是中國大陸市場每年的成長幅度預計就高達 60%,「這麼龐大的市場產值,自然吸引了大量業者投入。」

伍蒙進一步表示,工業、消費性電子和電動車,都是產業深具潛力且投入發展意願高的領域,工業部分在智慧化趨勢下,大小廠商都已有轉型認知,消費性產業則向來是台灣科技產業主力,至於電動車,台灣的車用零組件技術本來就有強勁實力,再加上政策助力, 現在已被機械、電子兩大產業視為重要目標之一,「在這些應用中,鋰電池都是關鍵,因此業者這幾年也開始加強布局力道。」

台達從「自動化」方案切入,破解鋰電池製程痛點

伍蒙緊接著介紹鋰電池的製程,和多數電池一樣,鋰電池的製程包括電極、電芯、化成分容、PACK 四大環節

最前端的電極製程是先攪拌材料,再塗佈、輥壓、分切,並視應用進行製片或模切。在整個鋰電池製程中,電芯成型環節對設備生產週期時間(Cycle Time, CT)與控制精度要求最高,電池的壽命、好壞都由中段設備決定,對此台達針對前述製程的卷繞設備,開發了使用全套台達產品的電容卷繞方案,它的工藝需求、難點基本上都與鋰電卷繞機相同。

「卷繞製程是在收放卷過程中,將絕緣紙料、正負極鋁箔以卷繞方式產生電容;按照電容卷繞引出線形式,可分為耳片式電容卷繞和導針式電容卷繞兩種機型。」伍蒙提到,耳片式機是由多對耳片組成,可生產大容量超級電容,導針式機是一組釘針,正負各一,正極釘針較長,負極釘針較短,主要生產小容量電解電容。

面對大規模市場需求與供應緊縮,伍蒙以中國大陸華南地區的知名電容設備廠實際導入案例說明產業所遭遇到的挑戰,在生產線配置與維護方面,設備廠正面臨著開發人員因為年紀漸長而不願維護早期由電路板做的程序開發,而單片機的核心程序又無法獨立修改維護,為協助客戶擺脫這樣的依賴性,台達以市場主流的 CODESYS 運動控制方案為基礎,整合台達 PC-Based 運動控制器 AX-8 系列,在客戶主打的耳片冷焊式釘卷機、分體導針式釘卷機以及全自動導針式釘卷機中導入台達電容卷繞方案,不僅實現了六層捲繞並在長到 600 mm 下擺杆張力穩定,且達到 1,000 mm/s 速度,同時透過在人機介面上完成配置管理,讓不同層級的管理者都能實現現場管控。

伍蒙坦言,目前市場上的鋰電池解決方案相當多,「不過在重複精度、功能和開發維運等方面,台達有其獨到之處。」在效能方面,台達電容卷繞方案可將生產週期時間縮短到 2.9 秒,而且產品長度的重複精度可達 ±0.5 mm,精準控制張力。功能部分,台達設備的自動化程度高、功能齊全,可以滿足客戶多元應用需求,幫助他們兼顧整個生產線的配置與統一的維護以及產品持續研發創新。

鋰電池生產卷繞過程 0 容錯空間,製程間距高效與高精度是關鍵

鋰電池卷繞製程分為前中後三段,前段製程是放卷,必須透過電位控制器控制收放卷張力,並利用編碼器計算成卷的初始半徑、放卷長度和極耳間距。完成卷繞進入中段製程,在此製程中,機台上的釘軸會開始運作,並配合機械凸輪和負箔送料,將振動盤平送過來的導針釘壓在正負箔上。後段製程是先將紙箔壓在卷針並進行纏繞,接者打入極耳裝置並裁切、冷焊,最後貼膠下料。

「由於鋰電池的卷繞製程繁複,過程中只要某一速度偏慢或失準,就會拖垮整體設備的運作效率和生產品質。」伍蒙表示,台達透過馬達、編碼器、I/O 模組、控制器和人機介面打造出卷繞製程專用的完整解決方案。

在設備層,台達電容卷繞方案在正箔和放卷環節應用了編碼器,透過 EtherCAT 將設備資訊傳送到台達 PC-Based 運動控制器 AX-8 系列,以即時控制多組馬達。此外,控制器也會將訊息傳送到人機介面 DOP-100 系列和企業的 IT 系統,「這個做法讓 OT 與 IT 兩大系統可以整合,達到智能工廠的可視化目標」。不僅如此,透過簡易複製程序的 CODESYS 開發軟體,更有利於後續系統設備維護

台達工業自動化全面出擊,展現強大產品力

伍蒙最後指出,鋰電池行業高速發展,動力電池需求日益增加,台達身為專業的工業自動化廠商,針對鋰電池行業設備需求推出一系列行業專屬產品與行業解決方案,從產品力、方案全面布局鋰電池行業。

同時,為了協助鋰電池卷繞領域的客戶優化生產效率,台達機電事業群各產品單位積極投入研發,並且相互溝通合作,「另外我們也會與客戶高層緊密互動,了解製造端的痛點與需求。」 伍蒙表示,台達強大的產品能量與合理價格,可協助客戶建構高效能、高品質的製造架構,共同搶攻日漸龐大的鋰電池市場。

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