锂电池20多年的趋势进化史

现《智能制造走向深水区》一文中,我们重点阐述了装备和工艺在制造业中的重要性。装备对于终端产品制造的品质起着决定性的作用,产品越是品质要求高、一致性要求严、强调安全性,装备的重要性就越发凸显。装备通常是支撑起一个产业的发展,而产业也只有通过持续的技术创新才能带动装备制造企业向前发展,微观上就体现为装备承载工艺,工艺引领装备。

锂电池20多年的趋势进化史

本文希望通过对中国锂电产业发展历史的回顾与总结,带领读者朋友们体会锂电设备二十多年来的进化历程、锂电设备是如何支撑我国锂电池行业一步步从手工作坊式的生产走向智能制造的,以及新形势下锂电产业还存在哪些数字化智能化的机会。文章最后总结了装备制造业发展的几点规律。

在行业的初始阶段,人们通过手工赢得

锂电池的工业化起源于日本。具体来说,它始于1991年索尼生产18650个圆柱形电池。起初,锂电池的应用领域是数字玩具市场,随后锂电池在消费电子领域的应用可以说跨越了传统手机和智能手机两代。

在工业发展的早期,锂电池市场几乎被松下、三洋电气和东芝等少数日资企业所控制。这些企业在材料和电池技术上建立了深厚的壁垒,与产业链上下游企业紧密合作,生产高度自动化。2000年之前,日本锂电池企业占全球市场份额的95%以上。

国内锂电池行业从比亚迪起步。比亚迪于1998年进入手机锂电池市场。凭借国内劳动力低和技术改造后形成的成本优势,比亚迪的电池价格可以比日本三洋平均低40%。因此,比亚迪的生产能力和市场份额迅速扩大,为摩托罗拉、诺基亚和其他主流手机制造商提供产品。2005年,日本东芝无法抵御中国锂电池企业的价格战,直接宣布退出锂电池市场。

现阶段,国内锂电池生产模式主要是低成本人力与自动化设备相结合。锂电池生产企业通常只使用一套自动化设备进行多个精密工序,其他精度要求较低的工序和中间材料运输都是手工操作。与日本全自动生产线相比,该生产线基于人力的投资成本非常低,柔性生产能力也非常强。

这种生产模式的成功之处在于当时中国的劳动力价格非常低。2003年,中国制造业员工的平均工资水平仅为日本的1/23左右。

锂电池设备的重要性与日俱增

这种劳动密集型发展模式无法持续。一方面,2007年后,三洋电机有限公司在北京和天津建立了新的生产基地,松下和索尼在无锡投资,削弱了国内制造商的成本优势。另一方面,从2007-2009年开始,市场开始预测笔记本电脑和电动汽车将成为未来锂电池的主要应用领域,这两个市场对锂电池的质量有更高的要求。与此同时,中高端手机锂电池的份额也将增长。高端锂电池产品对生产工艺的准确性有更严格的要求。我国锂电池生产企业需要增加设备比例和自动化程度,以满足锂电池生产工艺技术升级的需要。这意味着依靠手工生产中低端锂电池的企业将失去竞争优势,自动化锂电池设备将成为未来高端电池大规模生产的关键环节。

图片来源:2009年ITT锂电池市场预测报告【1】

国内电池制造商开始转变观念,更加关注锂电池设备。许多企业开始从日本和韩国引进更多高端锂电池设备。与此同时,自建团队还开发了自动化设备和装配线。但是,国外设备价格高,不适合国内制造商的原材料(浆料和基材,铝箔和铜箔)。此外,考虑到技术保护,日韩两国基本上都有相对落后的中国锂电池企业设备生产线,买家仅限于比亚迪、力神、BIC等少数龙头企业。

这些市场变化和特点为国内装备企业创造了良好的市场条件。国内领先锂电池企业的转移将提升国内锂电池设备的市场空间。国内锂电池设备制造商也开始充分利用自身优势争夺市场份额。

首先,国内锂电池设备制造商将根据国内电池制造商的原材料和工艺条件,对设备的开发进行个性化,制定设备状态。例如,在蛇形弯曲和杆件厚度不均匀的情况下,生产自动化程度将得到提高。其次,国内设备价格普遍较低,约为日本和韩国的一半或三分之一。此外,国内设备制造商的售后服务响应速度更快。许多设备制造商可以在48小时内到达客户现场解决问题。对于ATL这样的大客户,响应速度甚至可以在4小时内达到。然而,许多进口设备的售后服务需要提前一个月甚至三个月预订,零部件的更换价格也很高[2]。因此,许多电池制造商开始放弃进口设备,引进国产设备。

到2013年,锂电池设备国产化率逐步提高到30%以上。当时,除了关键检测设备,如进口检测设备,以及化学成分等环节外,发展相对成熟的国产设备已基本实现国产化。ATL的生产和测试设备也主要使用国产设备。

然而,2007-2013年期间,大多数锂电池设备企业规模仍然较小,产品单一,技术能力普遍较弱。即使在2013年,国内锂电池设备行业只有13家企业产值1-3亿元,其他265家锂电池设备企业的收入也不超过1亿元[3]。下图为2014年国内部分锂电池设备企业锂电池设备收入情况。

资料来源:中国化学与物理电源协会(单位:亿元)

主要原因是许多锂电池制造商遵循产业政策的方向,以前没有锂电池的制造基础。这些企业大多不使用高性能、昂贵的设备,以迎头赶上,快速赚钱,从而带动了一些技术能力较低的锂电池设备企业进入市场。此时,整个锂电池行业仍处于低成本竞争状态,国内锂电池60%-70%为中低端产品。

2005年前后,国内许多主要锂电池设备制造企业才进入锂电池设备行业。技术和管理水平也制约了企业的发展,装备企业也刮起了抄袭降价的狂风。

总体来看,这一时期国内锂电池设备与国外先进设备仍有一定差距,自动化程度不高。例如,当工人使用半自动缠绕机时,他们通常需要在踏步和缠绕时拉动隔膜。设备稳定性较低,测控系统落后,生产效率低。该设备不能完全满足高标准动力锂电池的工艺要求要求

此时,进口设备仍占据锂电池高端市场,全自动生产线仍以进口为主。以涂布机为例,2013年国产涂布设备的涂布宽度仍达不到日韩设备的水平。国内企业尚未掌握高端精密设备的核心控制技术和部件。例如,涂布机的测厚装置基本上都是进口产品。锂电池设备的核心部件,如控制器和伺服驱动系统,大多是日本安川和松下的产品,涂层头也大多是进口的。此时,国内伺服电机仍处于小批量试制阶段,无法替代国外产品。

同时,国内一些锂电池设备企业在充分借鉴国外锂电池设备制造技术的基础上,开始自主开发全自动锂电池设备。国内部分锂电池设备的自动化程度和技术精度正逐步接近国际水平。国内更换的设备也开始少量出口到海外。例如,2010年,好能科技研发生产的锂电池间歇挤压镀膜机在国内外共收到13份订单,其中3份来自日本TDK【4】。2012年,先锋智能开始联系ATL动力电池研发团队,该团队获得ATL认可,开始进入动力锂电池设备行业。先锋智能开发的18650电池卷取机可以达到每分钟30个电池的生产速度,超过了当时特斯拉电池供应商松下的生产效率。

在即将到来的产业扩张期,这些对技术和管理要求较高的企业将抓住机遇发展壮大,而其他面向中低端客户的装备企业将被产业浪潮吞没,我们稍后再谈。

据中国化学与物理电源行业协会统计,2012年中国锂电池市场规模达到317亿元,同比增长约40%。我国锂电池产量已占世界锂离子电池总产量的40%左右,并逐年增长。据高宫锂电池统计,2013年,中国锂电池设备产值达到29亿元,同比增长21%,其中设备更新占24%。

2012年和2013年动力锂电池产量分别为2.1亿和2.9亿,稳步增长。在平静的水面下,市场期待已久的产业扩张正在孕育,并将给锂电池和锂电池设备行业带来翻天覆地的变化。

下游新能源汽车需求首次爆发,带动上游锂电池设备国产化

事实上,早在2006年,北京七星华创电子有限公司(后来战略性重组为北方华创科技集团)就已经开始开发动力锂电池的制造设备[5],但动力锂电池的真正爆炸将要等到8年后。2014年,中国动力锂电池产量达到7.1亿节,仅一年后就翻了一番。2015年的增长更为夸张。产量直接达到29.1亿,即在短短两年内,动力锂电池产量比2013年增长10倍,超过消费锂电池,市场份额达到52%[6]。

图片来源:2016中国电池行业年鉴

动力锂电池产量大幅增长的背后,是下游市场新能源汽车销量的增长。据中国汽车协会统计,2013年中国新能源汽车销量仅为17600辆。2014年,中国新能源汽车销量增至7.48万辆,同比增长324%。2015年,产量和销售额分别达到340400和331000,同比增长3.3倍和3.4倍,是2013年的30多倍。

随着动力锂电池需求的大幅增长,动力电池迎来了真正的容量扩张期。一是现有动力电池企业通过定期增资扩能。2015年6月,比亚迪投资60.23亿元扩大动力锂电池生产。其次,一些锂电池消费企业开始转向动力电池市场,如亿威锂能源。也有一些汽车企业开始向上游延伸,如北汽、吉利等。此外,国外锂电池巨头也加入了产能扩张的大军,如当时全球第一大锂电池供应商松下、三星SDI和LG化工在中国投资建厂。

2015-2017年已成为动力电池新生产线投产的密集期。动力电池的短缺使得电池企业迫切需要快速形成产能,这大大提高了对锂电池设备交货周期的要求。在前一篇文章中,我们提到,此时国内锂电池设备企业的快速反应和个性化开发能力显示出其优势。此外,经过几年的发展,国产锂电池设备的性能已经非常接近国外设备,价格相对较低。在本轮产能扩张周期中,国内锂电池设备企业加快了进入下游锂电池企业供应体系的步伐。锂电池生产设备国产化率迅速提高。2016年,国产化率从2013年的30%左右上升到50%左右。2016年锂电池设备企业普遍感受到订单激增,并持续到2017年。

产能扩张带来的设备需求激增最终体现在锂电池设备企业的收入上。2013年、2014年和2015年,领先智能锂电池设备的营业收入分别为2296万元、15179万元和35950万元,同比分别增长3%、561%和137%。2013年、2014年和2015年盈和科技锂电池设备营业收入分别为20468万元、21525万元和36517万元,同比增长26%分别为5.16%和62%。盈和科技和领先智能也已在深圳证券交易所上市。

截至2016年,国内锂电池设备企业约150家,年产值超过1亿元的企业近40家。2017年国内锂电池设备产值突破150亿元,国产化率达到85%。2015-2017年,中国锂电池设备产值平均复合增长率达到58.04%。

产业集中度提高,龙头企业优势凸显

由于动力锂电池行业本身对企业技术和资金壁垒的要求更高,大型企业的生产线规模效应更为显著显然,设备企业的订单越来越集中在大型企业,锂电池设备企业明显感觉到订单增长已经从过去锂电池企业数量的增长转变为重点客户采购集中度的提高。

2016年11月22日,工业和信息化部发布了《汽车动力电池行业标准条件(2017)》意见稿,提出了更高的要求(≥8gwh),这比之前的要求高出40倍,并确定了提高质量和卓越产业政策的战略目标。

在市场机制和产业政策的双重影响下,动力锂电池行业的集中度进一步提高,优质企业的市场份额增加,与领先锂电池企业合作的设备制造商更能享受到本轮产能扩张的红利。

在此期间,宁德时代凭借其在三元和磷酸铁锂的技术储备、乘用车作为利基市场的优势以及第三方的外部供应,在2017年超越比亚迪,成为动力锂电池出货量第一的企业。2017年,与宁德时报紧密合作的领先智能收入21.77亿元,同比增长101.75%,进一步拉开了与盈和科技的差距。

图片来源:高新锂电池、中国锂电池新能源产业投资发展报告【7】

锂电池设备企业,尤其是龙头企业,在享受增长红利的同时,在自动化技术、业务拓展、信息化、数字化建设等方面做出了巨大努力。

在技术方面,锂电池企业为了追求规模效应和更高质量,对锂电池设备企业提出了更高的要求,锂电池设备开始呈现高精度、全自动化、集成化的发展趋势。

在动力锂电池等大容量电池领域,汽车锂电池通常有数千个电池串联,以确保能量密度。每个电池的统一规格和稳定性能决定了整个电池组的性能和质量,因此对电池的一致性要求很高。

设备的加工精度和自动化程度将直接影响锂电池的性能和一致性。锂电池制造的主要工艺、设备和功能见下图。

图片来源:公司公告及公开数据整理

图像来源:公共数据收集

每个环节的处理设备都会影响电池的宏观性能。例如,设备前部的搅拌机会会影响浆料的批次稳定性,涂层和轧制会影响电极的集电效果和能量密度,中间部分的缠绕和层压精度会决定电池容量和稠度,后部的模块和组件设计会影响电池组的散热。锂电池的产量将受到各工序工艺效果的影响。因此,锂电池设备是保证电池性能和电池企业产出收入的关键【8】。

锂电池设备企业需要将锂电池制造的工艺细节和工艺参数集成到设备的设计和制造中,以确保锂电池的制造精度。由此开发的全自动锂电池生产设备,可以在实现锂电池生产工艺的基础上,使生产的锂电池具有良好的一致性,从而保证锂电池的高安全性。

锂电池生产过程中的关键工序是缠绕和层压。卷绕的核心技术包括张力控制、卷绕控制和自动纠偏。如果张力控制不好,材料会分层或出现S形褶皱,严重影响产品的一致性。锂电池的容量与绕组的数量和长度密切相关,因此精确控制技术非常重要。一些锂电池设备企业已开始在这方面超越国外同行。例如,领先的智能缠绕技术可以将张力波动范围控制在5%以内,对准偏差小于0.3mm。同期韩国koem的张力波动幅度控制在8%以内。

在集成方面,主要是指将不同的流程集成到一台机器中。例如,根据不同客户的需求,leadingintelligence总结并开发了一种多功能机器,将锂电池生产过程中的不同流程集成在一起。例如,焊接和缠绕一体机在一台机器上实现了极片焊接和缠绕两道工序,可以缩短工艺流程,为锂电池企业节约成本。领先的智能、盈和科技、李元恒等锂电池设备企业先后开发了滚压分切机、涂布辊分切机、激光缠绕机、激光模切分切机、切割堆垛机等设备。

此外,锂电池设备制造商开始将重点放在单个环节的设备生产上,并将其延伸到其他环节,形成一个全线方案。

从技术角度来看,此次扩建可以降低锂电池生产线的调试成本,提高锂电池生产的自动化水平。由于不同厂家的单台设备之间的流程交互不顺畅,各环节设备的控制软件之间的协调性不高,企业需要反复调试,导致全线产能增长缓慢,而全线设备可以连接得更紧密,自动化水平进一步提高,因此,不同环节之间的设备集成符合发展趋势。

从业务拓展的角度来看,装备企业不断追求更大的市场规模空间和更高的规模效应。在其他生产环节覆盖设备,可以扩大自身的市场空间和发展规模。全线方案也有利于设备企业与锂电池新进入者建立密切合作关系。

因此,在技术发展趋势和业务驱动的双重影响下,这一时期的盈和科技、领先智能等锂设备龙头企业,在解决关键生产设备的基础上,向全线设备解决方案供应商迈进,先后收购了其他工艺领域的设备制造商。例如,盈和科技率先提出为客户提供全线解决方案和服务,打造锂电池设备生产线订单交付的“交钥匙”模式。2015年,盈和科技收购新浦自动化,补充细胞形成检测设备,并开通细胞生产设备线。2017年,该公司收购了涂装机设备供应商东莞亚康,以开拓前段和中段设备。先锋智能于2017年收购了后端设备供应商Titannewpower。

收购锂电池设备制造商主要着眼于增强公司在锂电池行业的核心竞争力和议价能力。不同设备制造商的上游供应商趋于相同,下游客户重叠,业务协同度高。因此,这些并购基本形成了良好的规模效应。

除了技术和业务的改进和拓展,锂电池设备企业也开始关注自身身体的“内功”。由于锂电池设备是典型的非标自动化行业,下游产能扩张将考验设备制造商的交货能力和柔性生产能力,对产品质量、成本和交货期的要求将进一步提高。因此,锂电池设备制造商为了提高自身的生产管理和制造水平,开始加快自身的信息化和数字化建设。

2015年,领先智能开始与IBM合作,建立“领先云”和大数据中心,推进ERP系统建设,集成应用数字协作平台,自主开发MES生产执行管理系统,实现与PDM、ERP系统等的全面集成。依托“领先云”平台,它可以实现设计上的高效协作,生产过程中的精确反馈,工厂生产的智能化,增强其竞争力。2018年,盈和科技还开发建设了云平台,自主开发了MES生产制造执行系统,实现了企业设备研发设计的协同和生产控制的集成。同时,开发利用数字仿真技术建立动力电池生产设备数据库和全线模型,以缩短产品研发周期。

产能过剩,行业进入调整期

产能扩张是不可持续的。到2018年,产能扩张的好日子已经持续了三年,锂电池行业产能过剩问题日益突出。事实上,2017年底,国内动力电池实际有效容量达到110gwh,而容量利用率仅为40%左右。2018年,国产动力电池的有效容量约为150-160gwh,而2018年的年产量为70.6gwh,容量利用率低于50%。虽然需求侧装机容量同比增长56.88%,但总量仅为56.89gwh,远远低于产量。锂电池行业供过于求的程度进一步加深。(2017年动力电池装机容量36.43gwh,出力44.5gwh)

行业竞争格局的演变一直持续到2018年。前五大动力电池制造商的装机容量已达到93%,但容量仅占53%。行业龙头企业的优势和结构性过剩十分明显。2018年,部分锂电池企业利润甚至出现负增长,部分企业因无法承受成本压力或技术路线问题纷纷出局。那一年,锂电池企业数量急剧减少,整个行业的产能扩张开始停止。锂电池企业毛利率的下降也向上游传导。锂电池设备企业面临价格谈判压力,毛利率下降。2019年,新能源汽车政策补贴下降,整个行业进入调整期。当年,锂电池设备企业的收入一般只增长了10%左右。那些与领先锂电池企业保持密切合作的锂电池设备企业已经在这场风暴中站稳了脚跟,正在等待下一轮的产能扩张周期。

2014-2020年锂电池设备行业营业收入(亿元)及同比增长数据来源:wind、招商证券整理【9】

2020年第三季度,将提高新能源汽车渗透率,引导锂电池行业第二次扩能

2020年第三季度以来,新能源乘用车单月销量和渗透率开始上升。2021新能源汽车年销量远高于预期。20211-2月,新能源乘用车零售额分别达到15.5万辆和9.7万辆,同比大幅增长3倍和8倍。20211-2月,新能源乘用车渗透率分别为8%和9%,远高于去年同期水平。这种上升趋势在2021一直持续。截至2021年底,12月国内新能源汽车零售渗透率达到22.6%,年渗透率为14.8%,明显高于2020年的5.8%。新能源汽车从引进期开始正式进入增长期。这一增长期导致的上游产能扩张自然比前一个增长期更快。

图片来源:乘客协会

2021年初,新能源汽车在2020年下半年的增长趋势得到确认后,动力电池企业于20211月份宣布了新的生产扩张计划。国内新动力电池容量计划超过35gwh,2021q1新动力电池容量计划超过470gwh。扩大国外动力锂电池的生产也有巨大潜力。欧洲国内产能不足也促使国内锂电池和设备企业出海。

这一次,不仅宁德时代、比亚迪、国轩高科技等一线制造商加快了产能扩张,中国创新航空、蜂巢能源、意威锂能源等新型锂电池力量也加快了产能扩张。宁德时报计划到2025年至少达到520gwh的产能,国轩高新计划到2025年达到300gwh的产能,蜂窝能源计划到2025年达到600gwh的总产能。

除了产能之外,电池公司也朝着更高产能的目标迈进。这一次,包括汽车公司在内的各种锂电池公司都在电池材料、工艺和结构方面进行了技术创新。首先,比亚迪高调推出刀片式电池,宣布能量密度增加的磷酸铁锂再次被淘汰。这反映在2020年三元和磷酸铁锂的装机容量上。蜂巢能源采用层压技术取代常用的缠绕技术,并引进了自主研发的短刀电池系列。特斯拉推出4680个圆柱形大型电池,每月实现100万块的批量生产。还有高镍三元和无钴阴极材料,以及系统集成中的ctp/ctc技术。尽管这些创新目前没有太大的破坏性,但它们为锂电池行业带来了新的活力。这些电池技术创新还将引导锂电池设备企业开发适合新工艺的新型锂电池设备,淘汰旧的落后产能。

锂电池设备企业在新一轮扩能中呈现出新的发展趋势:注重提高设备的技术智能化水平

与上一轮扩能相比,国产锂电池设备仍在向全自动化方向发展。在新的时代,锂电池设备企业开始将智能控制技术集成到设备中。例如,领先的智能贴膜设备采用多闭环控制技术,确保贴膜精度,并能完成自适应智能程序优化,使整机整体功率率达到8大于0%,节省调试时间。层压机还采用AI算法技术,实现对层压过程涂层的全面监控;它支持自动拒收有缺陷的杆件。Leadintelligence还将机器视觉技术集成到层压设备中,实现从生产缺陷、层压悬垂到细胞外观的全过程智能检测。自主研发的领先绕线机,配备伺服闭环低张力精密控制系统,具备绕线张力实时测量和监控功能,将张力波动控制在≤±3%.科瑞科技还与大学合作研发层压精度控制,并采用神经近似内模与迭代学习控制相结合的方法,提高层压过程中隔膜偏差的校正效果【10】。

全线交付方案作用更加突出,首家设备企业加大新技术投入

随着一线和二线电池制造商加速扩大生产,全系列产品交货更快、价格更低、整体自动化程度更高的优势已经显现。全线交付帮助锂电池企业快速形成新的产能。锂电池设备企业需要考虑生产线的整体工艺衔接、上下游设备匹配和厂内物流,尤其是全线的设计布局。整条生产线并不是前端、中端和后端设备的简单拼凑。需要专业技术团队深入了解锂电池生产工艺,通过工艺优化、前后容量平衡设计、增加新技术应用,为下游企业提供稳定、可靠、高效的全线方案。

除设备自动化外,整个生产线还应实现中间物料输送的自动化和灵活性。装备企业开发锂电池生产的涂装、模切、缠绕等厂内物流智能物流系统,设计开发相应的AMR,实现线圈材料的自动装卸和锂电池前道工序的无人化物流,提高生产线的整体协同性。另一个例子是建立智能自动化立体仓库,实现智能仓储,通过堆垛机和立体仓库完成原材料加工、成品收发、成品仓储管理,提高空间利用率和仓储物流效率。先锋智能和盈和科技都在AMR技术领域进行了相应的研发,盈和科技也在软包装590流水线上开发并应用了高速磁悬浮物流技术。

设备企业开始从硬件销售切入软件服务

为了满足下游需求,提高客户粘性,锂电池设备企业开始从简单的硬件设备供应商转变为同时提供软硬件产品的整体智能制造解决方案供应商,软件的作用日益突出。例如,2021,先锋智能通过私募募集资金,投资建设锂电池智能制造数字整体解决方案研发及产业化项目。该项目包括机器视觉、智能物流、数字孪生和MES软件四个部分,这意味着锂电池设备企业的数字化和智能化投资已经从内生发展到外延,成为提高客户粘性和增强产品竞争力的一部分。

在机器视觉部分,领先的智能希望通过自主研发深度学习算法模块,实现低对比度和可变形状缺陷目标的像素和精确提取,提高分类和检测效率,减少人员参与,从而提高整条生产线的生产效率和质检精度。

先锋智能希望开发一种适合下游锂电池和新能源汽车企业的数字孪生解决方案,通过对生产线设备的模拟测试和虚拟调试,实现智能化工艺规划和设计,即在虚拟调试中,对涂层、轧制、,根据客户需求不断优化分切等设备,优化物流控制策略,从而缩短项目交付周期,提高设备性能和可靠性,满足下游客户的迫切需求,快速形成实际生产能力。

早在2015年,盈和科技就成立了子公司汇和智能,专门从事锂电池行业的MES软件。2021,李元恒成立海葵智能制造,将自主开发的MES软件系统与工业物联网等技术相结合,构建锂电池行业的数字工厂解决方案,帮助锂电池企业提升生产管理水平。

由此可见,锂电池设备企业不再仅仅把硬件设备的销售作为唯一的收入来源,而是开始形成软硬件相结合、现实与现实相结合的整体智能制造解决方案。他们希望以此深度捆绑下游客户,并形成新的增长曲线。

加强自身数字化建设

为了应对日益紧迫的交货压力,锂电池设备企业开始进一步加强自身的数字化建设。2020年,盈和科技开始推动数字化管理升级,并将数字化管理升级纳入三年重要发展战略之一,努力形成可追溯管理、透明数据、量化指标、闭环管理的数字化管理体系。在产品设计阶段,盈和科技利用仿真技术模拟产品的全生命周期,缩短产品开发周期,降低试错成本。先锋智能启动工业互联网平台建设,希望突破非标设备制造企业在生产控制和产能规模提升方面的瓶颈,满足多品种、小批量锂电池设备的灵活生产和研发需求。

图领先的智能工业互联网平台建设体系

出国

在市场拓展方面,国内锂电池设备企业的产品已从国内替代发展到出口海外市场。例如,先锋智能2021海外收入超过14.78亿元,占订单的30%以上。登陆的海外客户包括宝马(BMW)和北伏(northvolt)。

与下游锂电池企业的联系更加紧密

在对外合作方面,锂电池设备企业与下游电池制造商的战略合作更加紧密。原因是,这一轮扩张对头电池制造商来说并不容易。为了保持市场份额,有必要确保上游供应链的稳定性。

例如,LG新能源和盈和科技于2021开展研发活动,共享专利和前沿技术成果,并联合开发了7项核心技术专利。盈和的使用寿命为三年。

2020年,《宁德时报》与领先情报公司签署了战略合作协议。宁德时报鼓励领先的情报部门参与联合研发,并在未来新电池技术研发过程的DVT(designverificationtest)阶段提供设备研发和支持设施。依托宁德时代对尖端电池技术路线和设备研发的指导通过反馈,领先智能将深入了解锂电池生产流程,对电池前沿技术有更灵敏的感知,节省大量研发资源,帮助领先设备快速优化设备流程。宁德时报还将为领先的智能汽车客户销售包装产品提供渠道便利。

两次扩容比较

从两个扩能周期的对比来看,锂电池设备企业在经历了两次产业浪潮后,在技术、业务、自身数字化水平、对外合作等方面都迈上了一个新台阶,不断深化。

在技术方面,在第一次扩容期间,锂电池设备从半自动化转向自动化。在第二次扩容中,锂电池设备开始加强智能化。事实上,这是由锂电池企业提高电池制造技术水平的需求决定的。

此次锂电池设备企业智能化延伸的动力来自锂电池企业实现智能制造的迫切需求。首先,这一轮生产扩张将锂电池行业从GWH时代带到了TWH时代。锂电池行业的产能建设周期为6-9个月,真正形成产能大约需要3个月。下游需求日益呈现出多车型混合生产的趋势。因此,锂电池企业需要智能制造技术来满足其快速产能、规模效应和柔性生产的需求。

近年来,锂电池企业频繁采取行动,推动智能制造。2021,宁德时代投资了工业智能企业安迈盛,并成立了子公司宁德时代润智软件。先后与腾讯云、英特尔等大公司合作应用AI技术。为了确保大规模、高效生产,蜂巢能源建立了一个车载动力电池AI智能工厂。AI智能制造已成为其四大支撑战略之一,AI技术已应用于产能预测、焊接技术、自放电检测等工艺环节。

在数字化方面,每次扩能都会促使设备企业加强自身的数字化建设。数字投资的动力来源是需要形成更强的交付能力,以应对业务的快速增长。这种对数字化建设的需求更加严格。此外,在第二次产能扩张中,锂电池设备企业将其数字化能力从内生推向扩展,希望通过交付软件技术帮助下游客户实现数字化和智能化制造,创造新的利润点。

在业务拓展方面,锂电池设备企业在第一次扩能期间开始走全线路线。最近,全线模式得到了进一步改进,并补充了机器视觉和AMR等新技术。在客户方面,锂电池设备企业不仅向海外扩张,还向产业链下游的汽车企业延伸。未来,汽车制造商甚至将参与电池生产。锂电池设备的客户将是电池制造商和汽车制造商。

在对外合作方面,在发展初期,国内锂电池设备企业与锂电池企业几乎没有研发合作,设备企业对电池不了解,电池厂很难找到符合自身需求的设备。第一次扩能后,与锂电池制造商密切合作的多家设备企业迅速发展,双方合作程度日益加深。第二次扩能后,双方合作上升为战略合作。

对于装备企业来说,捆绑大客户不仅是其技术产品质量的体现,也是企业发展良性循环的开始。由于领先的大客户对产品技术的要求更加严格,理念将引领行业,装备企业将在向大客户供货的过程中不断学习前沿的工艺要求,提高装备产品的质量,从而形成产品质量销售的良性循环。这一切的出发点正是设备企业对自身技术的严格要求。

论产业发展规律

从产业发展的角度来看,锂电池产业的发展已经从最初的劳动密集型产业逐步转变为技术密集型和资本密集型产业,反映出中国最初依靠低成本劳动力的经济发展模式正在逐步转变为以技术创新为主的发展模式。中国锂电池产业逐步掌握全球产业链话语权的背后,是众多市场主体坚持在吸收和学习国外产品的基础上自主研发锂电池产品,而不是单纯依靠国外的技术路线和供应链体系,并逐步从产业链中低端向高端领域转移,这证明了产业的比较优势是可以锻造的,而不是一成不变的。

锂电池产业发展壮大的背后是锂电池装备产业的全力支持。锂电池设备行业也抓住机遇,在锂电池第一次扩容期间实现了国内替代,并在第二次扩容周期赢得了海外订单。

由此可见,锂电池及其装备行业具有明显的周期性。下游需求的增长传递给上游。产能错配和供给不平衡将推动上游产能扩张。产能的每一次扩张也将推动上游原材料的急剧增长。产能周期可以从产能供需、产能扩张速度、锂电池价格、锂电池企业盈利水平等维度进行判断。

锂电池装备产业的发展也反映了装备制造业的一些发展共性:一是装备企业将逐步由单一装备转变为覆盖多个环节甚至全线;二是装备企业将逐步从单纯销售硬件设备转变为同时销售软硬件产品;第三,装备制造企业要把握新兴细分市场产品的高速增长期。在产业混乱的早期阶段,他们应该寻找对产品有高质量要求的优质客户,因为装备制造企业的成长依赖于下游终端产品的成长。这些公司也在其他设备制造业上演了类似的故事。

我们可以认识到,装备企业的核心竞争力不仅仅是表面的硬件装备,更是对电池制造工艺和生产线集成与服务能力的深刻理解。事实上,生产线集成和服务能力本身也是基于对制造过程的熟悉程度。无论是全线交付,还是后来的智能物流、机器视觉、MES和数字双胞胎,都是锂电池设备企业基于流程理解提高自身服务能力,从而增强客户粘性的手段。整套生产线自始至终交付。客户如何轻松更换供应商?它不是依靠这些设备供应商来快速形成实际生产能力吗?

基于上述对开发过程的影响回首过去,我们发现锂电池及其设备行业已经进入了数字化、智能化的新发展阶段。在新阶段,该行业面临哪些新机遇?事实上,不难看出,我国锂电池行业的硬件设备已经相当成熟,但软件方面仍然很薄弱。设备企业和电池制造商也在加强软件研发,这实际上是锂电池行业初创企业的一个机会。

初创企业的机会集中在软件算法上,也有一些硬件设备的机会,如工业机器人和AMR。然而,AMR制造商也需要关注调度算法层面的技术储备,以便能够更深入地干预锂电池企业和汽车工厂客户,提高客户粘性。

软件方面的机会主要包括以下几个方面:

过程智能化:如电池制造中的涂装、干燥、轧制、焊接等过程提供智能优化技术,可以帮助企业提高生产质量,缩短生产线调试周期。

机器视觉AI检测:可应用于电池外观检测、焊后检测等环节。机器视觉发展的关键是形成与制造过程相联系的闭环控制系统。

工厂虚拟仿真规划:为了满足锂电池企业快速扩产的需求,虚拟调试仿真对缩短生产线调试周期的价值是显而易见的。目前,国内企业使用的虚拟工厂规划仿真软件大多是西门子的plantsimulation,例如先锋智能购买该软件用于数字孪生产品的二次开发。目前,一些初创企业和大学在这方面取得了进展。

生产管理和智能决策:该领域的大部分软件也提供给外资企业,如达索的3dexperience软件。存在国内替代的机会。

多尺度设计仿真与新材料开发平台:基于电池多尺度真实物理化学模型、分子动力学等理论基础,将电池制造过程与设计仿真相结合,实现电池正向设计,实现从材料到系统的多尺度综合仿真设计,并节省了选择实验试错法的时间成本和材料损失成本。

在“面向深水的智能制造”一文中,详细讨论了锂电池智能焊接技术和多尺度设计仿真在学术和工业前沿的进展,该文将不再赘述。

掌握新技术的初创公司可以与设备企业和锂电池企业合作,深化生产场景,开发智能制造技术。相信越来越多的初创企业将为行业带来新的活力。

在末尾写入

锂电池制造工艺引领着锂电池设备的发展,锂电池设备承载着电池制造工艺。业内有一种说法,电池生产的技术水平与设备产品的技术水平一样高。两者紧密结合。锂电池技术在材料、结构和系统工艺方面不断创新,使锂电池设备能够不断发展。

工业浪潮起起落落,没有无端的扩张和过剩的消除。回到制造业的原点,企业只有在技术创新的基础上,才能抓住稍纵即逝的机遇,顶住潮流,退潮时稳如磐石。产业的活力取决于技术创新的源泉。

 

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