Habilitación de la producción ambiciosa de baterías a escala

Se pronostica que la industria de las baterías se multiplicará por diez para fines de la década. Este crecimiento está impulsado por la creciente demanda de baterías de celdas de iones de litio (Li-ion), principalmente para el transporte electrificado y el almacenamiento de energía. La alta demanda del mercado y las políticas gubernamentales cada vez más favorables de muchos países generan una competencia feroz entre las empresas emergentes, las empresas conjuntas y los titulares para determinar los líderes del mercado. Los nuevos participantes y los proveedores establecidos enfrentan muchos de los mismos desafíos de cómo reducir el tiempo de ampliación, reducir las tasas de desechos y maximizar el rendimiento sin dejar de cumplir los objetivos de costo, calidad y sostenibilidad. Las prácticas de fabricación tradicionales no pueden cumplir con estas ambiciones.

Más bien, las empresas que buscan aumentar su producción de baterías de manera rentable y tomar una posición de liderazgo en el mercado, necesitan un marco empresarial digital para la fabricación donde el gemelo digital de la producción esté conectado a las operaciones reales de la fábrica a través de tecnologías de automatización e IoT industrial (IIoT) habilitado. dispositivos. Esto permite el diseño virtual y la optimización de la línea de producción y la validación de los procesos de producción antes de la implementación en la planta, lo que reduce el riesgo de inversión y acorta el tiempo de escala.

Conectar el marco digital con hardware y software de automatización e IoT industrial facilita una integración de producción de extremo a extremo. Esto brinda información sobre la ejecución de la producción a gran escala y un marco basado en datos para mejorar continuamente el rendimiento de la producción al mismo tiempo que equilibra la sostenibilidad y la rentabilidad del proceso a largo plazo.

Los ejemplos de los últimos años han demostrado que las empresas pueden tardar siete años o más en pasar de los anuncios de gigafábricas a lograr una producción estable a escala. Este largo tiempo para aumentar la producción es un desafío importante en este mercado de baterías que cambia rápidamente. El objetivo del desarrollo virtual de la fabricación es acelerar el diseño, la construcción y el diseño de su planta con ingeniería interdisciplinaria y conectada. A partir de ahí, las empresas pueden crear una versión virtual confiable de sus procesos, líneas y plantas para poner en marcha los procesos de producción de forma iterativa sin el costo y el riesgo de hacerlo en el mundo real. Además, el aprovechamiento de las simulaciones, la ingeniería celular y la optimización se puede acelerar enormemente.

Con simulaciones, los ingenieros pueden evaluar con precisión el impacto de varias químicas en el rendimiento de la celda, la seguridad de la celda y el envejecimiento, así como optimizar el diseño de la celda para maximizar la densidad de energía y la carga rápida. Pueden validar virtualmente los diseños y comportamientos de las celdas frente a los requisitos del paquete y los requisitos del sistema final aprovechando los gemelos digitales. Esto libera a las empresas de un enfoque de solo prueba costoso y lento. Estamos viendo una aceleración de 2X a 3X en el diseño e ingeniería de baterías, ya que las empresas están adoptando nuestro marco de gemelo digital. Con una sólida red troncal de PLM, los gemelos digitales de producto, producción y fábrica permanecen conectados, lo que permite a las empresas tener en cuenta las interdependencias y los efectos del cambio a lo largo de todo el ciclo de vida.

Un gemelo digital de productos y producción de baterías se está convirtiendo en una necesidad clave para la industria de las baterías dada la rápida evolución de la química de los materiales, los diseños de las celdas y las técnicas de fabricación. Capturar una posición de liderazgo en una industria cambiante requiere agilidad, y esos cambios deben verificarse rápidamente para retener el uso óptimo de energía y materias primas.

Uno de nuestros clientes está aprovechando el marco de gemelo digital de Siemens para acelerar la ingeniería y optimización de celdas y poner en marcha virtualmente las líneas de producción para escalar la fabricación a gran escala desde los procesos de producción de laboratorio. La adopción de este marco les ha permitido acortar el tiempo que tardan las celdas de la batería en pasar del laboratorio a la producción a escala, al mismo tiempo que cumplen los objetivos de sostenibilidad y sus propios requisitos únicos.

Uno de los mayores desafíos para la producción a gran escala es la tasa de desecho muy alta. Hemos visto que la tasa de desechos es del 40 por ciento o más al comienzo de la producción de celdas, mientras que en la mayoría de los casos se mantiene justo por debajo del 10 por ciento cuando se alcanza la capacidad de producción a velocidad máxima unos años después del inicio de la producción. Estos niveles son cuellos de botella clave para reducir los costos de producción.

Para reducir la tasa de desechos y cumplir con los objetivos de calidad para la fabricación de celdas de iones de litio, necesita conocimientos de ejecución en la planta de producción. El hardware y el software integrados para un proceso de producción de extremo a extremo es clave para mejorar la producción celular. Permite la continuidad digital desde planes de proceso virtualmente validados hasta la ejecución de producción sin papel. El software de ejecución de fabricación, conectado con el hardware de automatización a través de una capa SCADA, permite a los equipos de fabricación organizar fácilmente la producción a gran escala y hacer cumplir las prácticas de producción deseadas. Esto es posible a través de la integración de TI y OT que permite el rastreo, el seguimiento y la integración de máquinas para identificar y mitigar problemas rápidamente.

La facilidad de compartir datos dentro de una planta y la red de proveedores también permite una programación eficiente a una escala mucho mayor de lo que era posible anteriormente. Las empresas pueden crear una logística dentro de la planta más eficaz y cadenas de suministro seguras para garantizar la procedencia de los materiales o los impactos ambientales asociados de cada etapa de la fabricación. Un proceso de fabricación más conectado reduce la complejidad al tiempo que aumenta la flexibilidad mediante la estandarización vertical y horizontal. Esto ha sido invaluable para otro de nuestros clientes con la ambición de convertirse en un líder europeo de celdas y módulos de batería EV.

La producción de celdas de iones de litio consta de varios pasos de fabricación, cada uno de los cuales tiene un grado variable de tiempo asociado, energía y capital asociado. Algunos de estos pasos, por ejemplo, la formación de células y los pasos de envejecimiento, pueden tardar 10 días o más. Esto crea cuellos de botella significativos que afectan el rendimiento de la producción. Los pasos de fabricación, como el secado de electrodos o la mezcla de tinta, deben optimizarse para reducir el consumo de energía sin afectar la calidad.

Además, la producción de celdas es un proceso muy intensivo en energía que puede consumir hasta 40 unidades de energía para producir una unidad de energía de batería. Esto presiona a las empresas a optimizar el consumo de energía en sus plantas para minimizar su huella de carbono. Para abordar estos problemas, los fabricantes de baterías pueden mejorar el uso de los datos de las máquinas y la fábrica, que en la configuración tradicional de producción de baterías no se utilizan bien, para brindar la inteligencia necesaria a la producción de baterías y al funcionamiento de la fábrica.

La conexión del IoT industrial y las tecnologías de automatización con el sistema de ejecución de fabricación y el gemelo digital de producción es la clave para la fabricación basada en datos. La fabricación de celdas de iones de litio es un proceso muy complejo que involucra aproximadamente 600 características del proceso, como varios parámetros de la máquina.

Dada la cantidad de datos y la complicada interdependencia de varios pasos de fabricación en un proceso típico de producción de células, se necesita IA para comprender la intercorrelación entre los diferentes pasos y aprender de los socios del producto/proceso. Los casos de uso típicos implican, entre otros, el control de calidad en línea, la visión por computadora para medir la viscosidad de la suspensión y los defectos del recubrimiento, sino también la predicción del comportamiento celular durante el proceso de envejecimiento. Las plataformas de datos con modelos de datos estandarizados son fundamentales para unir TI y OT y permitir la recolección de datos de las máquinas y la fábrica sin problemas.

Además, el IoT industrial y la operación basada en datos permiten a las empresas realizar un seguimiento del consumo de energía y optimizar el funcionamiento de la fábrica para reducir su huella de carbono. El tiempo de inactividad durante el funcionamiento de la fábrica también se puede reducir mediante el mantenimiento predictivo de la maquinaria, mejorando así el rendimiento general de la producción.

Encontrar las posiciones líderes en el mercado en la industria de las baterías en rápida expansión significa adoptar prácticas de fabricación inteligentes. Significa cambiar a la izquierda para simular y validar antes de que comiencen las operaciones, reducir el tiempo para propagar los cambios de ingeniería y habilitar una cadena de suministro resistente. Con soluciones integradas de hardware y software que brindan conocimientos de ejecución para la producción de extremo a extremo, permiten reducir la tasa de desechos y mejorar la calidad.

Dado que el costo de fabricación asciende a aproximadamente el 25 por ciento del costo de la celda, una reducción más rápida de la tasa de desechos mientras se mejora la calidad y el rendimiento de la producción es fundamental para la ambición de la industria de las baterías de escalar la capacidad de producción 10 veces más rentable en los próximos años. Y hacer todo esto de manera sostenible y rentable a largo plazo requiere que las empresas minimicen el consumo de energía, limiten la huella de carbono holística, mantengan la visibilidad en toda la producción y prevean los problemas antes de que sucedan.

La digitalización puede ser una tarea desalentadora, pero la experiencia de Siemens en la fabricación, junto con nuestra inversión en rápido crecimiento en baterías, está disponible para cualquier cliente que busque dar un salto hacia el futuro de la producción.

Este artículo fue escrito por Puneet Sinha, director sénior de la industria de baterías de Siemens Digital Industries Software (Plano, TX). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2023 de la revista Battery & Electrification Technology.

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