澳洲矿场的一粒沙,如何让中国一颗「汽车心脏」跳动

2022-05-24 07:16:38 来源:

  时隔两年,机器轰隆的声音再次回响在澳大利亚西部一处锂矿的上空。

  从2021年1月至今,在新能源汽车市场驱动下,动力电池上游锂矿资源价格暴涨,核心材料碳酸锂价格更是翻了10倍。

  为此,澳大利亚锂矿公司Pilbara宣布旗下的Altura锂精矿迎来重启,预计在2022年中恢复至18-20万吨锂精矿产能。此前由于2018年锂精矿价格持续下行,Altura锂矿从2019年10月起一直处于维护状态。

  不出意料的话,经过矿脉轰鸣与初步加工后,一批出自Altura的锂精矿将穿过西澳狭长、荒凉的公路,送往全球最大的铁矿石出口港——黑德兰港。在海上航行十五天后,抵达中国港口城市青岛。

  随后,锂精矿石将被提炼为碳酸锂,成为新能源汽车电池的核心正极材料,它们将被运往一个长三角城市——常州。

  常州市金坛区,蜂巢能源的电池制造工厂正在高速运转。同一批矿石从采矿到最后成为正极材料到达蜂巢能源,正常情况下大约需要4-5个月,而从原料到最终车辆电池成品,还需要15-20天,期间经过电极、装配、化成三大制造工序,产品质量控制环节超过2000项。

  电池制作工序繁杂、专业程度极高。比如在电极工序,需要将搅拌后的正负极原材料,均匀涂到极流体材料上,经干燥压实之后切成一定尺寸,形成电池极组。

  然后在装配环节,采用叠片工艺进行组装,经过热负荷、对齐度检测、异物检测、绝缘耐压测试等测试后,焊接成方形铝壳干电池。

  不过此时干电池还算不上真正的电池,仍需要在化成环节注入电解液、浸泡,首次充放电测试通过后,才算成为合格的汽车电池。

  至少要5-6个月时间,澳洲矿场的一粒沙,才能让中国一颗汽车心脏真正跳动起来。

  自2019年以来,新能源汽车逐步走出政策补贴驱动市场的阶段。2021年我国新能源汽车销售完成352.1万辆;动力电池装车量为154.5GWh,同比增长142.8%。

  电池行业巨头宁德时代300750)从2018年的800亿元市值飙升至万亿市值。巨大的历史机遇摆在所有人面前,但行业窗口期同样向其他玩家开放。

  据中国汽车动力电池产业创新联盟发布的数据,3月,宁德时代还占据一半的市场份额,但4月宁德时代动力电池装车量市占率就降至38.28%;此前,而在磷酸铁锂电池装车量上,比亚迪002594)以47.14%的市占率反超宁德时代34.29%的市场份额。

  这绝对不仅是行业头部两个玩家的赛场,中创新航、国轩高科002074)、蜂巢能源、亿纬锂能300014)、欣旺达300207)等无不在追赶。

  另一个数据同样值得关注:2022年4月我国新能源汽车市场共计34家动力电池企业实现装车配套。牌桌上的玩家在不断减少,但可以确定的是,众玩家面前是一个巨大的蛋糕。

  西澳的矿脉,也因远在6000公里之外的中国大陆再次跳动。

  这不仅是一场关乎矿石资源的争夺,更是产能规模、生产效率、产品质量、供应链稳定的全方位比拼,任何一个环节的漏洞,都有可能成为对手赶超的理由。

  汽车「心脏」快速跳动的背后

  常州市金坛区,电池公司蜂巢能源总部所在。2018年蜂巢能源由车企长城汽车601633)孵化、剥离独立,2019年蜂巢能源从保定搬至常州。

  目前常州电池工厂的一、二期已经投产,四期正在建设中。工厂周围300公里半径内,有超过30家整车制造企业,超过25家锂电配套企业。

  每天,上游企业将电池制作的核心原料运送至此,经过匀浆、涂布、辊压、模切、叠片、装配、测试等环节后,合格的电芯产品才会正式流向新能源车辆市场。

  蜂巢能源正在全球规划像金坛这样的生产基地,分布在南京、成都、盐城、马鞍山、遂宁、湖州、上饶七座国内城市,以及德国萨尔州。

  这是市场需求驱动下的产能巨大预期。据电池中国统计,蜂巢能源2021年签约、在建(含已有扩建)产能已达到295GWh。

  但扩建速度仍赶不上需求的爆发速度。2021年蜂巢能源表示要在2025年实现600GWh产能目标。去年电池日上,蜂巢能源CEO杨红新透露,目前收到的截至2025年的乘用车订单已经接近400GWh。

  与此同时,业内玩家也竞相提出了产能扩张目标。到2025年宁德时代产能规划预计达到600GWh,比亚迪达到430GWh,国轩高科达到300GWh,中创新航要达500GWh,亿纬锂能预计达到200GWh。

  作为一个系统性工程,电池生产制造的巨轮转动,需要众多上游供应商高度配合。“上游至少有两个环节,一个是矿业公司,另一个是原材料供应商。”蜂巢能源高级工艺总监刘小安告诉36碳。

  不同产品的生产周期则不相同。蜂巢资本总经理贺明星告诉36碳:“电池公司的产能扩建速度比原材料产品生产快得多,基本上12个月左右就可以建成产线,而正负极材料、隔膜、电解液等核心主材的扩产周期则平均要2年。”

  电池产能嗷嗷待哺,但原料供应僧多肉少,这也是2021年锂电上游产品原料价格暴涨的原因。

  2021年,蜂巢资本正式成立,借助投资入股上游供应商,来实现供应链的完备。从2021年至今,蜂巢资本投资了9家电池领域公司,覆盖正极材料、负极材料、铜箔、电解液、隔膜等材料公司,以及智能制造及设备企业。

  “有些公司非常灵敏,快速地把产能释放出来,赶上了浪潮。但如果晚一两年再建设产能,可能建成之后就面临产能过剩的情况了。”贺明星表示。

  因此,对于被投企业,蜂巢资本有自己的投资逻辑:一是有无技术壁垒,二则是扩产速度能否跟上电池公司的节奏。

  以蜂巢资本投资的负极材料公司河北坤天为例,此前河北坤天属于行业二级梯队玩家。去年扩张之后,河北坤天在河北、四川、云南三个基地加起来有20万吨产能,今年投产4万吨。凭借快速扩张,河北坤天跻身行业第一梯队,也从蜂巢能源负极材料第二供应商转成第一供应商。

  河北坤天CEO宋志涛告诉36碳,河北坤天目前以低于市场30-50%的价格为蜂巢能源供货,公司虽然短时间内让渡了部分利润,但是电池行业是个长远的赛道,要看未来的发展。

  如果在以往,负极材料30-50%的价格下调,给电池公司带来的效益可能有限,但在去年正极材料价格暴涨的情况下,更便宜的原料供应无疑能缓解电池公司的成本压力。

  “2020年-2022年是电池行业供应链安全阶段,核心关键是快速把产能扩张起来,才会有行业地位。有了地位之后,才能有生存,生存下来之后才能谈其他的竞争。”贺明星说道。

  通过投资上游供应商,蜂巢能源获得了更稳定、低价的生产原料,应对产能扩张。另一方面,电池行业的多变技术路线,是蜂巢能源持续寻找上游同盟的另一原因。

  “当下电池行业的技术路线变化非常快,这带来一个问题:如何保证蜂巢能源目前的技术方向不会在未来两年被颠覆。”贺明星表示。

  近几年,磷酸铁锂电池与三元锂电池两种技术来回交锋,当下行业也正在热烈讨论固态电池、钠离子电池等新技术。

  与层出的技术路线相反的是,每一个技术路线从产品研发到量产,都要经历漫长的过程。刘小安曾主导试制了长城汽车内部首颗电芯,他从2016年加入长城汽车动力电池事业部。

  他告诉36碳,电池研发需经过材料选型、结构化设计、仿真分析,应用场景分析等前置环节,才能确定技术路线;落到产线上还有小试、中试、AB样件定型,安全性能测试等环节,整个开发流程大概需要一年半时间。

  2017年首颗电芯产品小试下线时,长城汽车采用了市面上主流的卷绕工艺来制作电芯,但电芯试制出来后,内部觉得性能不够好,才改为叠片工艺。当然也交了一定的“学费”,卷绕工艺所采用的机器设备都无法再使用。

  这仅是在研发阶段的纠偏,如果电池产线投产之后再改动,那么付出的时间代价和市场损失无疑是巨大的。

  因此,蜂巢能源正在积极布局新技术、新材料、新工艺等,如快充、固态电池等技术研发。作为行业老兵,刘小安也表示要快速学习新技术路线,把新技术可能存在的失效模式研究透了,才能在电池研发过程中快速纠偏。

  “明显的感受就是,在蜂巢的成长速度可能是原来公司的三倍以上,在这个公司干一年,等于在其他公司干三年。很累,但痛并快乐着。”刘小安笑着说。

  快,就要求上游供应商具备快速反应的能力。“如果电池设计路线发生变化,但材料公司和电池公司的关系不够紧密,也容易在研发上掉队。”

  蜂巢能源与材料供应商会定期开展技术交流会、派人到产线上进行指导。当材料供应商有新品推出时,也会率先给到蜂巢能源进行产品性能验证。

  除投资上游材料企业之外,长城汽车从2017年开始布局上游矿产资源。2017年长城控股出资约2800万美元,购买西澳锂矿企业Pilbara 3.5%的股权,首个五年内每年可获得7.5万吨锂精矿。

  Pilbara拥有全球最大的矿石锂矿,其股东名单上还有赣锋锂业002460)、宁德时代等国内锂电玩家的身影。2019年双方签订附加协议,Pilbara从2019年起将连续6年向长城汽车每年运送2万吨精矿。

  目前,蜂巢能源在国内还入股了广西天源和永杉锂业,共计锁定了6万吨锂产品产能。

  凭借着入股上游供应商、储备新的技术路线、出海投资矿山等一系列提前布局,蜂巢能源在2021年电池装机量排行榜上表现抢眼。

  根据韩国调研机构SNE Research发布的数据,2021年蜂巢能源电池装机电量达到3.1GWh,同比飙升430.8%,居全球第10。国内动力电池装机排名从2020年的十名开外蹿升至第六,客户覆盖东风岚图、长城汽车、合众新能源、零跑汽车等。

  人工智能,渗入电池制造

  在2025年实现600 GWh产能目标面前,投资上游企业和矿山只是解决了货源问题,如何造出更多高质量的电池,还是要回归制造行业的本质——生产效率。

  刘小安告诉36碳:“从原料到电芯的15-20天里,有些生产环节的时间是无法被压缩的。比如电芯成型后注入电解液的环节,必须要让电解液与正负极充分接触,才能保证电芯的放电性能。”

  但有些环节的确可以通过改进机器来加速。在电芯装配环节,叠片工艺虽然比卷绕工艺拥有更高的能量密度和安全性,但其生产速度一直是行业痛点。国内叠片工艺效率普遍在0.6-0.8s/片之间,而蜂巢能源目前采用的叠片机效率可达0.4s/片。其下一代设备叠片效率可以达到0.125s/片,超越卷绕工艺生产效率。

  但单纯设备侧自动化升级改造,只能带来局部效率提升,真正的智能制造应该着眼于全局最优。在智能制造背景下,蜂巢能源正将信息化、网络化、数字化、智能化技术融入电池制造的全过程。

  2021年8月,蜂巢能源成立了专注于智能控制和智能制造领域的全资子公司章鱼博士智能技术(上海)有限公司,提供能源互联、工业智控硬件、AI算法与核心工业软件、灯塔工厂总包集成等方向产品与服务。

  人工智能怎么对电池制造带来效率提升?蜂巢能源首席信息官、章鱼博士总经理李翌辉向36碳举了一个例子:

  近年全球气候变暖,极端天气时有发生。一般而言,传统车间的温度和湿度控制,采用比较固定的环境控制策略。在突发暴雨或者高温情况下,这些控制策略显得捉襟见肘。

  而动力电池很多关键工序对环境要求很高,譬如双面涂布环节速度1分钟在80米左右,如果车间环境温湿度控制不好,30分钟就会造成数千米涂布材料的问题;

  借助人工智能系统,蜂巢能源的车间能够利用物联传感网络和IoT平台,对生产环节的各项关键控制参数进行高频、连续监测,借助大数据分析预警,并结合边缘计算,对工艺控制策略进行实时调优,形成“人、机、料、法、环、测“的联动,提升电芯产品一致性。

  简而言之就是,把车间环境的预测和调控交给人工智能和大数据。

  这些能力的构建,离不开背后的团队研发。据了解,章鱼博士正在与十余家AI生态联盟企业在常州基地规模开展AI智能场景测试验证工作;还与华为等企业成立AI实验室,研发面向锂电池行业的机器视觉、AI人工智能与大数据分析技术。

  这些成果不仅只在蜂巢能源内部“消化”,章鱼博士还在试图“外供”。

  从蜂巢能源出发,章鱼博士面向新能源行业,开发应用了一系列智能制造软硬件系统,包括规划了上百个AI应用场景、包含几十种关键算法的AI平台,覆盖电极全过程工艺的视觉检测系统、端云融合的大规模5G协同制造系统、融合物联网关、2D/3D智能相机及数据中台等核心工业软件系统。

  李翌辉表示:目前蜂巢能源一条产线关键控制参数在2000多个以上,每天产生数据达到几百GB。章鱼博士构建了全域数据库,通过AI算法平台及数据中台,能7*24小时实时无间断地进行数据进行监控、分析、预警与故障及时干预处理。

  当然,如果将工厂视为一个生态圈,除了机器设备不断数字化、智能化之外,人机协同,提高对一线人员的数字化协同能力也非常重要。

  “长期以来,行业中设备自动化与系统信息化、智能化是脱节的,大量的电池生产经验与知识,散落在各个不同的系统、技术人员和高级技师的脑海里。”李翌辉说道。

  “但通过数字化技术可以拉通时间和空间上的障碍,把零散的知识,变成可以复用的结构化知识和经验,通过数字孪生,在蜂巢全球范围各制造基地高效同步和分享。”

  针对产线人员,蜂巢能源构建了全套数字化系统,譬如打造了设备故障员工自助引导修复系统。通过对故障进行特征提取并智能分类,建立故障知识库,对每种故障给出最有效的交互式解决措施。

  李翌辉表示:当机器发生典型故障时,AI系统可以推荐给出典型故障解决方法,员工按系统指导,可以在5分钟内将70%以上的小问题消灭在现场。

  此外,员工还可以通过AR/VR系统,将问题快速反馈给后端的数字化主管系统,通过设备维修专家,远程诊断并进行维修指导。

  智能算法与分析控制技术不仅可以提升内部生产效率,同时对外部供应也有波动预警和调节辅助作用。

  李翌辉告诉36碳,蜂巢能源将在长三角、华东、西南等地区建立建设大型供应链园区,产业链相关材料企业、零部件企业、设备供应商和智能制造企业都可以入驻园区,由章鱼博士统一提供5G通讯、IOT平台、线体智能控制核心系统、工业互联网基础平台、供应链协同平台等软硬服务,提供产、供、销一体的供应链服务。

  与此同时,章鱼博士还在面向大供应链构建一套大数据分析与预警系统,结合国际形势、大宗物资期货走势、货币汇率及供需协同信息等,对未来30天的核心物料进行波动预测并给出采供建议。

  “就像构建多级级联接力工作的智能调节水库一样,一旦狂风暴雨或者枯水期到来的时候,可以起到削峰填谷的作用。”李翌辉表示。

  他认为:虽然当下原材料价格暴涨,但如果不未雨绸缪构建产业互联网,形成上下游信息共享与大供应链调节能力,将来产能过剩后行业又是一地鸡毛,很多企业抗不过周期波动,会很快消失在历史长河之中。

  “我们希望利用蜂巢能源对大供应链长期稳定的管理与建设,利用数字化的手段,促进行业的稳定。大家能在比较平滑、可以预期的环境里发挥核心竞争力。”李翌辉说道。

  此前,蜂巢能源董事长兼CEO杨红新在接受36碳表示:未来电池行业的竞争比拼将会聚焦在三点:一是技术(材料、结构和制造创新),二是产能与规模,三是供应链竞争。

  这些都并非能够靠蜂巢能源一己之力达成,目前蜂巢能源仍在这三个方向的道路上求索。

  近日,蜂巢能源与36碳正式启动“创新成就你我 先蜂产业合作伙伴全球招募”大赛,聚焦锂电三新(新技术、新工艺、新材料)和工业互联网(大数据、AI智能、通信等)等领域,向全球招募优秀的人才技术团队进行孵化创新,寻找高潜力的行业和技术领先型企业或高校团队,通过构建产业生态,为企业快速成长赋能。

  此外,招募将有5亿元产业链投资基金支持,入围的团队将入驻章鱼博士并获得管理、成长等多方面的产业协同赋能方案。通过大赛,蜂巢能源将与合作伙伴共同探索、应用电池行业前沿技术,以制造模式的升级提升产能供给,满足新能源行业不断增长的产能需求,推动社会可持续发展。

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