在未来的某一天，当历史书被编写时，2009年将作为大衰退的一年被铭记 和 电池的一年。
在1月份，汽车制造商在底特律的北美国际汽车展上推出了一辆大风的电动车。从那时起，奥巴马政府的经济刺激计划已经摇摆数百万美元来吸引制造商在美国创造锂离子电池制造基础设施。
3月，奥巴马总统宣布，24亿美元将被指定，以帮助美国制造商创建先进的电池组件，这将推动新一代的混合动力车和全电动车辆。100多家公司争先恐后地参加电动驱动电池和组件制造计划，分为七种不同的类别。
大部分资金将用于批量生产电池和电池组。这些项目预计将创造数千个新的工作岗位，并将得到2009年《美国复苏与再投资法案》的资助。
从明年开始，日产将生产出全电动汽车，配有一个安装在地板下的24千瓦时的电池。
大胆的创新
上个月，美国能源部选择了七个锂离子电池制造商，每个款待每人收到超过9500万美元的补助金。它标志着有史以来的电动汽车先进电池技术的最大投资。据奥巴马总统介绍，雄心勃勃的项目的目标是“帮助降低电池组，电池和电动推进系统的成本，使制造商能够建立一个繁荣的国内电动汽车行业。”最近几个月，众多公司争取了职位和宣布建立最先进的电池装配线的计划。例如，电池制造商和供应商的联盟联盟已加入了Argonne National实验室的部队，以形成国家先进的运输电池制造（Naatbatt）。它计划在格伦泰，凯伊上建设6亿美元制造和原型开发中心。
“联盟希望创造一个公平的竞争环境，”Ralph Brodd说，他是一名来自NV Henderson的电池顾问，他相信在不久的将来，电池将成为绿色汽车的一部分，就像30年前半导体成为个人电脑一样。“其他国家正在大力投资锂离子电池的制造，”布罗德指出。“这些国家明白，谁生产电池，谁就有一天会生产汽车。”
A123 Systems Inc.计划在美国建立几种世界一流的锂离子电池制造设施。它的第一个装配厂将位于MI的Livonia，以服务德里斯勒LLC等底特律地区客户。
为了提供较难以预期的雪佛兰伏特，通用汽车公司（GM）计划成为第一个在美国组装锂离子电池组的汽车制造商。“这将使他们能够更加控制制造过程，”Brodd说。“例如，GM可以在电池中插入专有电子控制。”Brownstown乡，MI的160,000平方英尺的植物将在2010年使用LG Chem Ltd.及其当地子公司Compact Power Inc.提供的细胞增强生产。
Johnson Controls-Saft Advanced Power Solutions LLC正在MI荷兰建造一条装配线，为福特汽车公司将于2012年推出的一款新型插电式电动汽车提供供应。该工厂占地11.5万平方英尺，每年可生产1500万个锂离子电池。
日产汽车公司正在投资数十亿美元，成为电动汽车的1号批量生产商。它计划于2013年在三个不同的市场细分市场中提供三辆车，从明年以中等大小的掀背车出发。升高生产后，汽车制造商预计每年建立高达40万台电动汽车。
作为其雄心勃勃的计划的一部分，日产正在其位于田纳西州士麦那(Smyrna)的26年生产基地建设一个锂离子电池厂和一条电动汽车装配线，此外还在英国和葡萄牙建设新的电池厂。日产和日本电气公司(NEC Corp.)的合资企业Automotive Energy Supply Corp.最近开始在日本组装先进的锂离子电池。
Bi Cell组装设备准备阳极和阴极子组件。制备交替的阳极 - 阴极层，允许在堆叠卷绕机中的最终组装之前100％检查每个子组件。
在美国出生
具有讽刺意味的是，几十年前，在德克萨斯大学机械工程教授John Goodenogh，在美国开发了锂离子电池技术。然而，直到最近，由Panasonic Corp.和Sanyo Electric Co.等公司在亚洲制造了大多数商业上可获得的产品美国制造商集中了他们对碱性和铅酸电池生产的努力。但是，该行业现在已经将重点转移到锂离子和其他可充电技术转变为消费电子行业的可充电技术。
锂离子电池是当今汽车行业的热门技术。由于锂比镍基替代品更轻，锂离子电池可以将电池的重量和体积减少30%以上。
“Batteries are the most important part of the electric drivetrain, but they haven’t been exhaustively studied in the automotive world because of their limited role in gas-powered vehicles,” says Ann Marie Sastry, codirector of the Advanced Battery Coalition for Drivetrains (ABCD), a new R&D facility in Ann Arbor, MI, that was recently created by GM and the University of Michigan. “Our shared ambition is to see electrified drivetrains in a large number of vehicle types and applications. That means we need to reduce the design cycle in both time and cost.”
Frost & Sullivan公司的高级研究分析师Anjan Kumar补充道:“用锂离子电池替代镍氢电池可以将能量密度提高两到三倍，这是驱动电动汽车的理想选择。该行业面临的主要挑战是实现规模经济和标准化。”
但是，锂离子电池是全面绿色汽车生产的一个昂贵的绊脚石。“(汽车行业面临的挑战是)降低制造和包装成本，”库马尔说。
如果美国制造商在利润丰厚的锂离子电池业务中分得一杯羹，他们将需要在自动化装配线上投入巨资。布罗德参观了几家海外电池制造厂，他说，这些工厂都是高度自动化的。他警告说:“如果你不使用机器人和其他自动化技术，你就无法竞争。”
锂离子电池是当今在汽车行业的热门技术。
组装的挑战
与传统的铅酸汽车电池相比，锂离子电池使用了不同类型的组装过程。布罗德指出:“除此之外，它们还需要更多的棱柱形元件、不同的电池结构和平板，以确保电流的均匀分布和耗散。”此外，锂离子电池对缺陷更敏感，比其他类型的电池需要更多的质量检查。传统上，锂离子电池的生产昂贵。一个原因是锂矿床仅在世界几个地区发现，例如阿根廷，玻利维亚，智利和中国。电池单元还包含石墨碳的阳极和层状金属氧化物的阴极。
此外，需要以电子方式管理锂离子电池组，以确保安全，可靠，长期运行。例如，它们依赖于精心制定的电池监测系统，可确保细胞的最佳相互作用。
锂离子电池内部的电流不是通过传统的电缆传导，而是通过必须焊接在一起的铜母线传导。母线允许棱柱电池中使用的正极和负极并联。
锂离子电池组装在干燥的房间。“因为您需要将水分保存在生产过程中，湿度和静电必须紧密控制，”Edgewater Automation LLC总裁Rick Blake说，该系统集成商提供了多种电池制造商。“自动化降低生产成本，提高产品质量和一致性，并从潜在的危险任务中移除人员。”
“在电解电容器领先的制造商的北美公司技术销售总监John Dispendents John Dispendents的北美技术销售总监John Divonendeth队的巨大关注点。“速度对于汽车应用而言也很重要，因为需要堆叠多达100层以创建一个单独的单元格。精确的对准和紧张的公差是必不可少的。“一旦组装了它们，将电池放置在电池组中，该电池组包含电子器件，控制和互连。
EnerDel公司的项目经理凯西·巴特勒(Casey Butler)说:“电池制造过程所需的精确度和纯度提出了一系列相当独特的挑战。”EnerDel公司最近开通了美国首条商用锂离子汽车电池组生产线。位于美国印第安纳州诺布尔斯维尔的最先进的组装工厂使用全自动设备批量生产各种各样的棱柱电池，非常适合汽车应用。
Enerdel在位于印第安纳波利斯几英里之外的独立设施中产生其细胞。组装过程中的关键步骤包括混合室，其中专有化学浆料混合并变成黑色糊状物。然后将糊状物涂覆在薄的铝和铜箔上，涂布在100℃下烘烤的涂布机。
在锂离子电池制造过程中，最大、最重要的设备是类似于披萨烤箱的25米长的涂层机。EnerDel最近在其印第安纳波利斯工厂安装了第一台生产规模的机器，另外还有两台用于研发活动的机器。
将电极通过机器切成非常薄的薄片并在洁净室中干燥以减少吸湿性。“留在电极上的任何杂散颗粒都可能导致电池短路，因此该过程在非常低湿度洁净室中进行，”管家解释。
然后机器人将阳极、阴极和隔板堆叠起来。完成后的堆栈被放置在金属袋，除了顶部的填充喷嘴外，所有边缘都是密封的。一台机器将电解液(一种透明的、粘稠的液体)填满电池袋，从而激活电池。
完成的细胞可以在老化室里存放几天。随后，它们在24小时内反复充电和放电，这一过程被称为形成。
成品电池运送到Enerdel的新Noblesville设施，其中机器人将它们堆叠成模块，子包和电池组。汇编程序安装允许成品电池的硬件和软件与电动机，导航系统和其他板载设备进行通信。Enerdel的电池组在能量容量中有很大差异，从18到60千瓦时。
EnerDel的电池组装配是完全自动化的。机器人将24个电池堆叠成模块，然后再分成小组，小组的大小大约是两个传统的铅酸汽车电池的大小。根据电池组的能量需求，这些子组件将被放入一个最终的、可定制的外壳中，该外壳可包含200至400个电池单元，重达600磅。
卷绕机辊辊正极和负电极和隔板。
渴望自动化
Enerdel使用自动化允许它与传统上依赖廉价劳动的亚洲电池制造商竞争。随着更多美国厂家加速生产，机器人，超声波焊机，激光焊机，粘合剂分配器，泄漏测试仪，封口机，涂布器，络筒机，输送机等类型的自动化设备将在解决生产力挑战和吞吐量问题方面发挥关键作用。
爱迪生焊接研究所(Edison Welding Institute, EWI)的高级工程师蒂姆•弗雷希(Tim Frech)表示:“我们看到电池制造商越来越感兴趣。”“细胞内的努力是朝向更高的能量密度和细胞的热管理。电池组或电池间组件也很重要，因为连接的可靠性和抗振动性至关重要。”
电池制造商通常使用重叠或对接接头焊接零件，例如铜和铝制突片。“挑战来自不同的金属，或在某些情况下，金属塑料或金属陶瓷接头，”推动。“此外，薄箔需要高焊接速度和专用固定装置。
弗伦奇指出:“组装母线时，小袋电池标签可能是个挑战。”“薄箔(通常是0.003英寸或更薄)，有时很难可靠地定位。此外，tab和bus的厚度通常有1到10个差异，这使得加入一个挑战。
“最后，铝和铜通常不被认为是彼此可溶的，”补充。“事实上，当熔化焊接时，它们将形成脆性焊缝。因此，固态焊接工艺，尤其是超声波金属焊接和电阻点焊，用于标签互连。“
超声波焊接允许电池制造商加入电镀金属和金属组合，这些金属和金属组合不是融合可焊接的，例如铜到铝。“较大区域焊缝采用超声波点焊，这在强度和承载能力方面提供了好处，”索赔UPECH。
然而，最近的EWI研究已经证明，高速激光焊接可以用于连接薄的铜和铝片。“使用激光焊接组装电池的优点包括速度快和每次焊接的成本低，”弗伦奇说。“此外，靠近热敏性部件的焊接能力，以及将焊缝裁剪成点、缝和特殊形状的能力，都是关键优势。”
机器人技术也在自动化锂离子电池组件中起着关键作用。由于汽车电池组经常重量数百磅，机器人是物料搬运应用的理想选择，例如在线组装电池堆的重复过程之外的线路托盘化。
“有很多装配或材料处理操作，没有被调查作为机器人应用的候选者，”索赔布莱克。“通常，我们收到机器人的要求，以供饲料和方向部件，涂布粘合剂，驱动紧固件，以及执行超声波或电阻焊接。”
电池制造商正在投资机器人，以解决生产率、质量和安全问题。ABB公司全球业务发展经理Dan McGillis说:“这个行业非常需要灵活性，因为有很多变数。”
例如，10至15个电池包括小电池模块，而70至120个单元将被认为是一个大模块。并且，每个电池组可能有五到20个模块。每个电池组装线都不同，因此制造商在厂房使用不同数量的机器人。
另一个自动化挑战是没有共同的架构。“因为每个人都有自己的专有锂离子电池设计，没有汇流条等组件没有标准，”麦吉尔斯解释说。“有些设计非常基本，而其他设计则更复杂。若干机构和联盟正在努力努力抵达业界的一些标准。肯定需要[那]。然而，直到市场决定在电池OEM社区中的获奖者和输家将是谁，这可能是一个非常挑战。
“从安全的角度来看，存在[人类]不应暴露在电力，电流和安培的应用，”麦吉尔斯指出。“在其他领域，人们不能满足[锂离子电池组件]的高速要求，有时接近每小时数千个周期。
McGillis补充说:“一些(锂离子电池)设计要求一定程度的组装重复性，这是人力无法持续满足的。”“另一个关键因素是机器人为电池模块和组件中所有不同的构建配方提供的防错能力。”
根据McGillis，精密部件加载，母线组件，汇流条连接和装箱处理是机器人的一些关键应用。“此时，电池组装市场为各种机器人配置开放，”他解释道。
“在过程开始时，速度非常重要，所以Delta机器人[很受欢迎]的高速，高可重复性和低噪音，”McGillis说。“随着电池模块组装，线路的速度减慢并且重量增加。此时，我们看到更多使用基座六轴机器人。
“机器人非常适合满足新兴电池组装市场的需求，”麦吉利斯说。“(然而)一个挑战将是通过视觉和力控制等适应性技术，找到适应现有电池设计的方法。”
锂离子电池制造商通常使用模块化输送机组装细胞和包装。“虽然一般的自动化行业已经看过一个普通的输送平台的趋势，但由于渐进的有效载荷，这对电池制造很难，这将开始为一个细胞开始光线，并为包装最终非常重，”Mark Dinges说：Bosch Rexroth Corp.STS输送机的产品经理
丁格斯补充说:“由于汽车电池是一项具有巨大增长潜力的新兴技术，任何输送机的设计都必须包括系统扩展和修改。”“与任何新技术或新兴技术一样，(锂离子)电池制造商正在努力改进整个组装过程。
丁格斯指出:“无论目标是更高的吞吐量、更高的质量还是更低的循环时间，组装输送机的灵活性以及能够适应这个不断增长的行业的需求都是至关重要的。”由于汽车电池的重载荷要求，最适合这些应用的两种输送方式是有动力滚子和无动力滚子链，滚子之间有填充块。
了解有关电池趋势和技术的更多信息，请搜索www.jaquemin.com.这些文章:
爱迪生焊接研究所(Edison Welding Institute, EWI)的高级工程师蒂姆•弗雷希(Tim Frech)表示:“我们看到电池制造商越来越感兴趣。”“细胞内的努力是朝向更高的能量密度和细胞的热管理。电池组或电池间组件也很重要，因为连接的可靠性和抗振动性至关重要。”
电池制造商通常使用重叠或对接接头焊接零件，例如铜和铝制突片。“挑战来自不同的金属，或在某些情况下，金属塑料或金属陶瓷接头，”推动。“此外，薄箔需要高焊接速度和专用固定装置。
弗伦奇指出:“组装母线时，小袋电池标签可能是个挑战。”“薄箔(通常是0.003英寸或更薄)，有时很难可靠地定位。此外，tab和bus的厚度通常有1到10个差异，这使得加入一个挑战。
“最后，铝和铜通常不被认为是彼此可溶的，”补充。“事实上，当熔化焊接时，它们将形成脆性焊缝。因此，固态焊接工艺，尤其是超声波金属焊接和电阻点焊，用于标签互连。“
超声波焊接允许电池制造商加入电镀金属和金属组合，这些金属和金属组合不是融合可焊接的，例如铜到铝。“较大区域焊缝采用超声波点焊，这在强度和承载能力方面提供了好处，”索赔UPECH。
然而，最近的EWI研究已经证明，高速激光焊接可以用于连接薄的铜和铝片。“使用激光焊接组装电池的优点包括速度快和每次焊接的成本低，”弗伦奇说。“此外，靠近热敏性部件的焊接能力，以及将焊缝裁剪成点、缝和特殊形状的能力，都是关键优势。”
机器人技术也在自动化锂离子电池组件中起着关键作用。由于汽车电池组经常重量数百磅，机器人是物料搬运应用的理想选择，例如在线组装电池堆的重复过程之外的线路托盘化。
“有很多装配或材料处理操作，没有被调查作为机器人应用的候选者，”索赔布莱克。“通常，我们收到机器人的要求，以供饲料和方向部件，涂布粘合剂，驱动紧固件，以及执行超声波或电阻焊接。”
电池制造商正在投资机器人，以解决生产率、质量和安全问题。ABB公司全球业务发展经理Dan McGillis说:“这个行业非常需要灵活性，因为有很多变数。”
例如，10至15个电池包括小电池模块，而70至120个单元将被认为是一个大模块。并且，每个电池组可能有五到20个模块。每个电池组装线都不同，因此制造商在厂房使用不同数量的机器人。
另一个自动化挑战是没有共同的架构。“因为每个人都有自己的专有锂离子电池设计，没有汇流条等组件没有标准，”麦吉尔斯解释说。“有些设计非常基本，而其他设计则更复杂。若干机构和联盟正在努力努力抵达业界的一些标准。肯定需要[那]。然而，直到市场决定在电池OEM社区中的获奖者和输家将是谁，这可能是一个非常挑战。
“从安全的角度来看，存在[人类]不应暴露在电力，电流和安培的应用，”麦吉尔斯指出。“在其他领域，人们不能满足[锂离子电池组件]的高速要求，有时接近每小时数千个周期。
McGillis补充说:“一些(锂离子电池)设计要求一定程度的组装重复性，这是人力无法持续满足的。”“另一个关键因素是机器人为电池模块和组件中所有不同的构建配方提供的防错能力。”
根据McGillis，精密部件加载，母线组件，汇流条连接和装箱处理是机器人的一些关键应用。“此时，电池组装市场为各种机器人配置开放，”他解释道。
“在过程开始时，速度非常重要，所以Delta机器人[很受欢迎]的高速，高可重复性和低噪音，”McGillis说。“随着电池模块组装，线路的速度减慢并且重量增加。此时，我们看到更多使用基座六轴机器人。
“机器人非常适合满足新兴电池组装市场的需求，”麦吉利斯说。“(然而)一个挑战将是通过视觉和力控制等适应性技术，找到适应现有电池设计的方法。”
锂离子电池制造商通常使用模块化输送机组装细胞和包装。“虽然一般的自动化行业已经看过一个普通的输送平台的趋势，但由于渐进的有效载荷，这对电池制造很难，这将开始为一个细胞开始光线，并为包装最终非常重，”Mark Dinges说：Bosch Rexroth Corp.STS输送机的产品经理
丁格斯补充说:“由于汽车电池是一项具有巨大增长潜力的新兴技术，任何输送机的设计都必须包括系统扩展和修改。”“与任何新技术或新兴技术一样，(锂离子)电池制造商正在努力改进整个组装过程。
丁格斯指出:“无论目标是更高的吞吐量、更高的质量还是更低的循环时间，组装输送机的灵活性以及能够适应这个不断增长的行业的需求都是至关重要的。”由于汽车电池的重载荷要求，最适合这些应用的两种输送方式是有动力滚子和无动力滚子链，滚子之间有填充块。
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