野心的な電池の大規模生産を可能にする

バッテリー産業は、2010 年代の終わりまでに 10 倍に成長すると予測されています。 この成長は、主に電化輸送およびエネルギー貯蔵用として、リチウムイオン (Li-ion) 電池の需要の増加によって推進されています。 市場の需要が高く、多くの国で政府の支援が増えているため、新興企業、合弁事業、既存企業の間で市場のリーダーを決める熾烈な競争が生じています。 新規参入者と既存のサプライヤーは、コスト、品質、持続可能性の目標を達成しながらスケールアップ時間を短縮し、スクラップ率を削減し、スループットを最大化する方法という同じ課題の多くに直面しています。 従来の製造慣行では、これらの目標を達成することはできません。

むしろ、費用対効果の高い方法でバッテリー生産を拡大し、市場で主導的な地位を獲得しようとしている企業には、自動化テクノロジーと産業用 IoT (IIoT) を活用して、生産のデジタル ツインが実際の工場の運用に接続される、製造用のデジタル エンタープライズ フレームワークが必要です。デバイス。 これにより、生産ラインの仮想設計と最適化、および工場現場での実装前に生産プロセスの検証が可能になり、投資のリスクが軽減され、拡張までの時間が短縮されます。

デジタル フレームワークをオートメーション ハードウェアおよびソフトウェア、および産業用 IoT と接続することで、生産のエンドツーエンドの統合が促進されます。 これにより、大規模生産に対する実行上の洞察と、長期的にプロセスの持続可能性と収益性のバランスをとりながら、生産スループットを継続的に向上させるデータ駆動型フレームワークが提供されます。

過去数年の例では、企業がギガファクトリーの発表から大規模な安定した生産を実現するまでに 7 年以上かかる可能性があることが示されています。 急速に変化する電池市場においては、生産規模を拡大するまでにこの長い時間がかかることが大きな課題となっています。 製造業の仮想開発の目標は、複数の分野にまたがるエンジニアリングを接続して、プラントの設計、建設、レイアウトを迅速化することです。 そこから、企業はプロセス、ライン、プラントの信頼できる仮想バージョンを作成し、現実世界で行うようなコストやリスクを負うことなく、生産プロセスを繰り返し委託することができます。 さらに、シミュレーション、セルエンジニアリング、最適化を活用すると、大幅に加速できます。

エンジニアは、シミュレーションを使用して、セルの性能、セルの安全性、劣化に対するさまざまな化学物質の影響を正確に評価し、セルの設計を最適化してエネルギー密度と急速充電を最大化できます。 デジタルツインを活用して、パック要件やエンドシステム要件に照らしてセルの設計と動作を仮想的に検証できます。 これにより、企業はコストと時間がかかるテストのみのアプローチから解放されます。 企業が当社のデジタル ツイン フレームワークを採用するにつれて、バッテリーの設計とエンジニアリングが 2 倍から 3 倍高速化されています。 堅牢な PLM バックボーンにより、製品、生産、工場のデジタル ツインが接続されたままになるため、企業はライフサイクル全体にわたって相互依存性や変化の影響を考慮できるようになります。

材料化学、セル設計、製造技術の急速な進化を考慮すると、バッテリー製品と生産のデジタルツインがバッテリー業界にとって重要なニーズになりつつあります。 変化する業界でリーダーの地位を獲得するには機敏性が必要であり、最適なエネルギーと原材料の使用を維持するためにそれらの変化を迅速に検証する必要があります。

当社の顧客の 1 つは、シーメンスのデジタル ツイン フレームワークを活用してセル エンジニアリングと最適化を加速し、実験室の生産プロセスからスケールアップした本格的な製造ラインを仮想的に委託しています。 このフレームワークを採用することで、バッテリーセルが実験室から大規模な生産に至るまでの時間を短縮できると同時に、持続可能性の目標と独自の要件も満たせるようになりました。

大規模生産における最大の課題の 1 つは、非常に高いスクラップ率です。 セル生産開始時のスクラップ率は 40% 以上である一方、生産開始から数年後にフルスピードの生産能力に達した時点では、ほとんどの場合 10% 未満に留まることが確認されています。 これらのレベルは、生産コストを削減する上での重要なボトルネックとなります。

リチウムイオン電池製造の品質目標を達成しながらスクラップ率を削減するには、工場現場での実行に関する洞察が必要です。 エンドツーエンドの生産プロセスのための統合されたハードウェアとソフトウェアは、セル生産を改善する鍵となります。 これにより、仮想的に検証されたプロセス計画からペーパーレスの生産実行に至るまでのデジタル的な継続性が可能になります。 SCADA レイヤーを介して自動化ハードウェアと接続された製造実行ソフトウェアにより、製造チームは大規模な生産を簡単に調整し、望ましい生産慣行を強制することができます。 これは、IT と OT の統合によって可能になり、トレース、追跡、マシン統合を可能にし、問題を迅速に特定して軽減します。

プラントおよびサプライヤー ネットワーク内でのデータ共有が容易になったことにより、以前よりもはるかに大規模な効率的なスケジューリングも可能になります。 企業は、より効果的な工場内物流を構築し、サプライチェーンを確保して、材料の出所や、製造の各段階での関連する環境への影響を保証できます。 より接続された製造プロセスにより、垂直方向と水平方向の標準化によって柔軟性が向上しながら複雑さが軽減されます。 これは、EV バッテリーセルとモジュールのヨーロッパのリーダーになるという野望を持つ別のお客様にとって、非常に貴重なものでした。

リチウムイオン電池の生産はさまざまな製造ステップで構成されており、各ステップにはさまざまな程度の時間、エネルギー、関連資本が関係しています。 これらのステップの一部、たとえば細胞形成や老化ステップには 10 日以上かかる場合があります。 これにより重大なボトルネックが生じ、生産のスループットに影響を及ぼします。 品質に影響を与えることなくエネルギー消費を削減するには、電極の乾燥やインクの混合などの製造手順を最適化する必要があります。

さらに、セルの生産は非常にエネルギーを大量に消費するプロセスであり、1 単位のバッテリー エネルギーを生成するのに最大 40 単位のエネルギーを消費する可能性があります。 このため、企業は二酸化炭素排出量を最小限に抑えるために工場のエネルギー消費を最適化する必要に迫られています。 このような問題に対処するために、バッテリーメーカーは、従来のバッテリー生産セットアップでは十分に活用されていない機械や工場からのデータの利用を改善し、バッテリー生産と工場運営に必要なインテリジェンスをもたらすことができます。

インダストリアル IoT および自動化テクノロジーを製造実行システムおよび生産のデジタル ツインに接続することが、データ駆動型製造の鍵を握ります。 リチウムイオン電池の製造は、さまざまな機械パラメータなど、約 600 のプロセス特性を伴う非常に複雑なプロセスです。

一般的なセル生産プロセスにおけるデータ量とさまざまな製造ステップの複雑な相互依存性を考慮すると、さまざまなステップ間の相互相関を理解し、製品/プロセスパートナーから学習するには AI が必要です。 典型的な使用例には、インライン品質管理、スラリーの粘度を測定するコンピュータービジョン、コーティングの欠陥だけでなく、エージングプロセス中のセルの挙動の予測も含まれます。 標準化されたデータ モデルを備えたデータ プラットフォームは、IT と OT を統合し、機械や工場からシームレスにデータを収集できるようにするために重要です。

さらに、産業用 IoT とデータ駆動型の運用により、企業はエネルギー消費を追跡し、工場の運用を最適化して二酸化炭素排出量を削減できます。 機械の予知保全によって工場稼働中のダウンタイムも削減できるため、全体的な生産スループットが向上します。

急速に拡大するバッテリー業界で市場をリードする地位を築くには、スマートな製造慣行を採用する必要があります。 これは、運用開始前に左にシフトしてシミュレーションと検証を行い、エンジニアリングの変更を反映する時間を短縮し、回復力のあるサプライ チェーンを可能にすることを意味します。 統合されたハードウェアおよびソフトウェア ソリューションにより、エンドツーエンドの生産に実行上の洞察がもたらされ、スクラップ率の削減と品質の向上が可能になります。

製造コストはセルコストの約 25% に達するため、品質と生産スループットを向上させながらスクラップ率をより迅速に削減することが、今後数年間でコスト効率よく生産能力を 10 倍に拡大するというバッテリー業界の目標にとって中心となります。 そして、これらすべてを長期的に持続可能かつ収益性の高い方法で実行するには、企業はエネルギー消費を最小限に抑え、全体的な二酸化炭素排出量を制限し、生産全体にわたる可視性を維持し、問題が発生する前に予測する必要があります。

デジタル化は困難な取り組みである可能性がありますが、シーメンスの製造における専門知識と急速に成長するバッテリーへの投資は、生産の未来への飛躍を目指すあらゆるお客様にご利用いただけます。

この記事は、Siemens Digital Industries Software (テキサス州プラノ) のバッテリー業界シニア ディレクターである Puneet Sinha によって執筆されました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、『Battery & Electrification Technology Magazine』2023 年 6 月号に初めて掲載されました。

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