過去一年中，虞蘭劍頻繁輾轉(zhuǎn)于北京、天津、四川、湖南、青海等地，忙著為鋰電正極材料企業(yè)打造智能化工廠。

作為江蘇南大紫金鋰電智能裝備有限公司(下稱“南大紫金”)總經(jīng)理，他趕上了鋰電行業(yè)快速發(fā)展的浪潮，數(shù)據(jù)顯示，2015年，僅在正極材料領(lǐng)域的投資額就超過120億元。

“市場投資額增加的同時(shí)，企業(yè)對于生產(chǎn)制造的智能化提出了更高的要求。”在鋰電材料領(lǐng)域沉浸多年，虞蘭劍今年最為明顯的一個(gè)感受是，鋰電材料領(lǐng)域開始大范圍的迎來生產(chǎn)制造的自動化、數(shù)字化更新?lián)Q代。

無法忽視的現(xiàn)實(shí)是，過去的很長一段時(shí)間，國內(nèi)正極材料普遍面臨自動化程度低、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品良率低、信息互聯(lián)互通效率低等問題，這成為制約國產(chǎn)材料邁向高端化的重要瓶頸。

“大部分正極材料工廠生產(chǎn)過程都面臨智能化程度不高，人為參與度高，難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的快速智能化生產(chǎn)，呈“孤島”之態(tài)，影響整個(gè)生產(chǎn)過程的綜合管理。”虞蘭劍表示。

這導(dǎo)致的一個(gè)結(jié)果是，國內(nèi)鋰電正極材料有全球40%以上的市場份額，但供應(yīng)的大多是中等以下品質(zhì)的正極材料，正極材料企業(yè)發(fā)展面臨的最突出的問題就是產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能方面的配合銜接問題。雖然近年國內(nèi)產(chǎn)能大幅度提升，但高端市場占比較低。

在此背景下，從2015年以來，包括北大先行、當(dāng)升科技、湖南杉杉、天津巴莫、桑頓新能源、天津斯特蘭等國內(nèi)主流正極材料企業(yè)都在做生產(chǎn)設(shè)備的自動化及數(shù)字化的更新?lián)Q代。希冀通過生產(chǎn)制造的“自我變革”來提升產(chǎn)品綜合競爭力，迎戰(zhàn)動力電池大時(shí)代的新挑戰(zhàn)。

制造困局

在此之前的2014年，對于國內(nèi)正極材料的生產(chǎn)現(xiàn)狀做過一次大范圍的走訪調(diào)研，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)設(shè)備整體滯后正在成為當(dāng)時(shí)材料企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展最大的羈絆。

鋰電正極材料的生產(chǎn)主要分為混料磨料、高溫?zé)Y(jié)、粉碎分解三大主要環(huán)節(jié)，涉及上料卸料裝置、混料機(jī)、高溫窯爐、粉碎機(jī)以及除濕系統(tǒng)等設(shè)備，每個(gè)環(huán)節(jié)的控制以及設(shè)備的性能都會對最終的產(chǎn)品產(chǎn)生直接或間接的影響。

以窯爐設(shè)備為例，無論是在控制的精確性上還是在耐用程度上都是曾是無法繞開的硬傷。

“國內(nèi)窯爐存在的問題是保溫性能不好、溫差較大。”對于國產(chǎn)窯爐存在的問題，天津巴莫總經(jīng)理吳孟濤就曾深有體會。他介紹，窯爐的穩(wěn)定控制以及溫度的正負(fù)誤差都會影響到原材料的受熱均勻，進(jìn)而會影響到產(chǎn)品的最終性能。

在當(dāng)年的調(diào)研中，天津斯特蘭副總經(jīng)理李積剛坦言，國產(chǎn)窯爐在可靠性和耐用性上還存在差距，由于在高溫條件下運(yùn)作，其經(jīng)常會出現(xiàn)零部件損壞的問題，這一方面會造成較高的維護(hù)成本，另一方面則可能直接影響到產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

即便是在最為基礎(chǔ)的上料卸料環(huán)節(jié)，國內(nèi)材料企業(yè)存在的短板也不容小覷。

“包括優(yōu)美科、日亞化學(xué)等國際企業(yè)普遍采用的是自動化裝料卸料的設(shè)備，這樣一方面可以有效控制粉塵異物，另一方面可以保證裝料的精度。而國內(nèi)材料企業(yè)此前大部分都處于人工操作的水平。”

人工操作最大的問題在于裝料環(huán)節(jié)無法做到精確控制，從而會直接影響到混料環(huán)節(jié)中材料配比的準(zhǔn)確性。此外，上料卸料環(huán)節(jié)由人工操作所導(dǎo)致的原材料浪費(fèi)也是一大問題，以鈷酸鋰的生產(chǎn)為例，傳統(tǒng)產(chǎn)線每年由于人工操作導(dǎo)致鈷的跌落達(dá)到1%，以目前20萬元/噸的價(jià)格計(jì)算，一個(gè)年產(chǎn)1萬噸的產(chǎn)線每年的浪費(fèi)就高達(dá)200萬元。

國內(nèi)材料企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的落后還體現(xiàn)在對于環(huán)境的控制上。

以目前熱門的NCA材料為例，之所以只有個(gè)別企業(yè)能實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，其中一個(gè)最主要的難度就在于，在生產(chǎn)過程中無法達(dá)到其對于溫度和環(huán)境的要求，據(jù)了解，NCA材料由于表面的堿性物質(zhì)含量很高，因而非常容易吸潮，這就需要從燒結(jié)完成到最后包裝都需要嚴(yán)格把控材料與空氣的接觸。

但事實(shí)上，以國內(nèi)企業(yè)簡單的除濕設(shè)備根本無法實(shí)現(xiàn)。“日韓企業(yè)基本上實(shí)現(xiàn)了封閉式生產(chǎn)，材料在空氣中靜置超過1個(gè)小時(shí)以上就當(dāng)做廢料處理了，但在國內(nèi)，由于設(shè)備的滯后以及對成本的考慮，放置一兩天的情況都司空見慣。”

大換血

2015年以來，國內(nèi)新能源汽車的市場井噴迅速拉動了動力電池的市場需求，同時(shí)，對于產(chǎn)品的品質(zhì)安全等的需求也明顯提升，在此背景之下，正極材料企業(yè)一方面拉開了擴(kuò)產(chǎn)的大潮，另一方面，也開始明顯意識到生產(chǎn)制造系統(tǒng)化全面升級對于企業(yè)發(fā)展的重要意義。

“國內(nèi)材料企業(yè)要想真正提升產(chǎn)品品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高端材料的產(chǎn)業(yè)化，引進(jìn)全自動數(shù)字化的生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)線是唯一出路。”吳孟濤認(rèn)為，智能化產(chǎn)線可以保證裝料配比的精度，避免由人工操作造成的浪費(fèi)，同時(shí)也可以改善生產(chǎn)環(huán)節(jié)對于環(huán)境的控制。

6月上旬，工信部對外發(fā)布了144個(gè)“2016年智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目的公示”，其中，湖南杉杉新能源有限公司萬噸高能量密度鋰電正極材料數(shù)字化車間新模式應(yīng)用入選。

據(jù)獲悉，湖南杉杉的申報(bào)項(xiàng)目采用了智能輥道窯、定值配料控制系統(tǒng)，自動裝缽系統(tǒng)、以及在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)、搬運(yùn)機(jī)器人和自動輸送系統(tǒng)等一系列先進(jìn)生產(chǎn)、檢測及相關(guān)配套設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程生產(chǎn)線各關(guān)鍵工序的自動化控制。

同時(shí)，該項(xiàng)目還采用了MES系統(tǒng)，同步實(shí)現(xiàn)信息化數(shù)據(jù)共享，建立起具備在線訂單管理功能的企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)(ERP);通過中控系統(tǒng)與ERP 系統(tǒng)集成直觀反映生產(chǎn)過程各關(guān)鍵工序運(yùn)行情況，最終實(shí)現(xiàn)制造信息和管理信息全程透明、共享。

除過湖南杉杉，包括天津巴莫、當(dāng)升科技、北大先行、桑頓新能源、天津斯特蘭等企業(yè)都透露，其都在做生產(chǎn)制造的全面升級換代。

對于這種趨勢，虞蘭劍感觸尤為明顯，作為國內(nèi)為數(shù)不多可以提供鋰電材料智能生產(chǎn)解決方案的企業(yè)，2015年，虞蘭劍所在的南大紫金訂單明顯增多。其提供的智能工廠解決方案涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備布置設(shè)計(jì)、廠房設(shè)計(jì)施工、設(shè)備采購制造、設(shè)備安裝、自動化控制安裝，再到最后的現(xiàn)場調(diào)試、驗(yàn)收交接等九大流程。

以窯爐為例，虞蘭劍介紹，為了提升對其的準(zhǔn)確控制，主流正極材料企業(yè)開始采用智能輥道窯，該產(chǎn)品在建立了基于數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，將輥道窯每個(gè)控溫區(qū)域作為一個(gè)子系統(tǒng)，建立分布式的輥道窯溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)上層的智能決策系統(tǒng)對輥道窯控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定，實(shí)現(xiàn)輥道窯每個(gè)區(qū)域溫度的精確控制和整體能耗的最低。

而在上下料環(huán)節(jié)，不少企業(yè)都摒棄了傳統(tǒng)的人工方式，開始選擇搭建綜合自動化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)稱量混合、自動裝缽、燒結(jié)等工序的可視化、自動化控制。

在這個(gè)過程中搬運(yùn)機(jī)器人將原料運(yùn)送至料倉，采用增量法稱量物料，通過定值配料控制系統(tǒng)達(dá)到原料準(zhǔn)確稱量，通過兩個(gè)自動裝缽機(jī)將混合均勻的原料裝缽，然后將裝好的缽分別通過自動輸送軌道配送到不同的智能輥道窯內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)。

“一方面是自動化的提升，另一方面是數(shù)字化的控制。”虞蘭劍表示，通過實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程生產(chǎn)線各關(guān)鍵工序的自動化控制，開發(fā)中央數(shù)字化控制系統(tǒng)，建立企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)(ERP)，實(shí)現(xiàn)制造信息和管理信息全程透明、共享。

生產(chǎn)制造全面升級之后，一些企業(yè)的綜合效果開始顯現(xiàn)，不少夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)營成本降低20%，產(chǎn)品研制周期縮短20%，生產(chǎn)效率提高20%，產(chǎn)品不良品率降低10%，能源利用率提高10%。而這，對于企業(yè)提升產(chǎn)品性能，降低成本，提升綜合競爭力不言而喻。

國內(nèi)材料企業(yè)在對于自動化數(shù)字化設(shè)備產(chǎn)線的使用率還不到20%，在動力電池產(chǎn)業(yè)加速升級以及規(guī)模化擴(kuò)張的背景之下，正極材料領(lǐng)域一場通過生產(chǎn)制造全面更新?lián)Q代來提升產(chǎn)品品質(zhì)和性能的“自我變革”將會全面開啟。