机器人在锂电生产中的应用场景分析

锂电行业快速扩张，带动产线自动化和工业机器人导入需求提高，机器人在锂电行业的销量和渗透率快速增长。本文分析了移动机器人、多关节机器人、协作机器人等在锂电制造前中后段、模组线、PACK线等工序中的具体应用，为更好地理解机器人在锂电生产中的应用场景提供参考。

一、锂电生产工序

锂电制造流程划分为前段工序（极片制造）、中段工序（电芯合成）、后段工序（化成封装）。   前段工序的目的是将原材料加工成为极片，核心工序为涂布；中段工序的目的是将极片加工成为未激活电芯，核心工序是卷绕或者叠片；后段工序的目的是激活电芯，检测等级容量，核心工序是化成和分容，最后封装出厂。   在锂电池生产工艺中，极片制作是基础、电芯制作是核心，电池组装则关系到锂电池成品质量。   对于动力和储能电池而言，产品形态可分为电芯、模组和电池包。电芯是动力电池产品的核心基础构成单元，由上述工艺制成电芯后，再通过模组生产线将一定数量的电芯组成模组，并进一步通过PACK线封装成套为电池包。  

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  前段工序

前段工序示意图

1、搅拌：   搅拌工序是极片制作的重要环节之一， 搅拌的质量直接影响电池性能。搅拌过程在正极搅拌机和负极搅拌机中分别进行：首先由人工与机器人配合将正极和负极对应的原料分别倒入各自搅拌机的原料盒中，与此同时制备胶液，最终将胶液与原料搅拌混合均匀形成浆液，由浆液小车运送至下一道工序。  

 正极搅拌过程

负极搅拌过程

2、涂布：

涂布工序的目的是将正负极浆体均匀涂抹在基材上，获得涂布好的极片。一般而言，消费类锂离子电池多采用辊涂转移式，动力电池多采用狭缝挤压方式。  

辊涂转移式方法依靠圆筒形的涂布辊实现，利用传动带动浆料，再通过涂布辊的转动将浆料均匀涂抹在基材（铝箔/铜箔）正反面，再将已经上浆的板材进行烘干，形成涂布好的极片。

涂布过程示意图

狭缝挤压法的原理：涂布液在一定压力一定流量下沿着涂布模具的缝隙挤压喷出，转移到基材上。图示Q为涂布液注入方向，V为基材滚动方向。

狭缝挤压法原理示意图

3、辊压：   由两台高压主电机分别带动两只相向转动的磨辊，将附着有正负极材料的极片利用圆筒形的辊压机进行辊压，一方面使得涂覆的材料更紧密，提升能量密度，保证厚度的一致性，另一方面也能够进一步管控极片中的粉尘含量和湿度。

辊压示意图

4、分切（分条/模切）：

极片有分条和模切两种分切方式，分条对应中段工序中的卷绕，模切则对应中段工序中的叠片工艺。分条工艺把大的极片分切成相应电池尺寸大小的条形极片再进行卷绕，由人工配合机器人将辊压后的极片上料，分切机的刀片对极片进行分切，再将分切好的小条形极片下料；模切通过模具对极片冲压，形成相应电池规格大小的极片进行叠片。

分条示意图

模切示意图

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  中段工序

中段工序示意图

1、卷绕或叠片：

电芯按照制作工艺可分为卷绕工艺和叠片工艺。卷绕将制片工序或收卷式模切机制作的极片卷绕成锂离子电池的电芯，主要用于方形、圆形锂电池生产；叠片将模切工序中制作的单体极片叠成锂离子电池的电芯，主要用于软包电池生产。

卷绕与叠片原理对比图

卷绕电池（左）与叠片电池（右）结构对比

卷绕过程示意图

叠片过程示意图

2、入壳：

卷芯入壳前需要进行Hi-Pot测试电压200～500V（测试是否存在高压短路），吸尘处理（入壳前进一步控制粉尘），之后才能将卷芯放入壳体中。

入壳原理示意图

3、点焊：       将圆柱/方形电池的极耳与外壳相应端口焊接到位，软包电池则主要是将多层极片与极耳引脚焊接到位。

软包电池极耳示意图

4、注液：                 注液机将电池的电解液定量注入电芯中。  

注液原理示意图

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  后段工序

后段工序示意图

1、化成：   通过充放电机进行充电，使电芯激活，在此过程中负极表面生成有效钝化膜（SEI 膜），以实现锂电池的“初始化”。

化成原理示意图

2、分容：

即“分析容量”，将化成后的电芯按照设计标准进行充放电，以测量电芯的电容量。对电芯进行充放电贯穿化成、分容工艺过程，因此充放电机是最常用的后段核心设备。

3、OCV检测：

OCV（open circuit voltage，开路电压），指的是电池不放电开路时，两极之间的电位差。通过进行OCV1和OCV2两次测量，检测电池的性能参数和电池的内部状态，两次测量间需常温静置。

4、组装：

经过外观全检、喷码、等级检查、包装等工序，完成成品电芯的组装。外包装方式包括热缩机封口以及超声波封口两种，其中热缩机封口主要用于PVC包装的电池组。

组装过程示意图

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  模组工序

模组工序示意图

锂电池模组是由几颗到数百颗电池芯经由并联及串联所组成的多个模组，动力电池组系统是将众多单个的电芯通过串、并联的方式连接起来的电池组。经过前中后段工序制成电芯后，需要通过模组线将一定数量的电芯组成模组。

1、电芯上料

一般而言，不管是软包、方形、圆柱还是18650型电池，模组的自动化组装工艺流程都是从电芯上料开始。来料可以是原供应商提供的包装，也可以是厂家经过检测后统一整理好的专用托盘。上料过程可以是人工操作，也可以通过传送带自动上料，然后通过机器人经由抓手抓取。

2、电芯堆叠

将检测合格后的成品电芯与侧板、端板、盖板、连接片等组件进行配对上线，然后将电芯根据一定的串并联顺序进行堆叠。

3、子模块电芯极耳焊接

将堆叠好的子模块，通过激光技术将正极耳和负极耳按照技术要求分别焊接在回流排上，并在子模块间进行极耳的串联连接。

4、子模块入壳

将子模块自动放入壳体中形成模组。

5、采样线连接

通过激光技术将采样板采样端子按照技术要求焊接在回流排上。

6、模组组装

通过机器人将端板和侧板自动组装至模块上，通过激光技术，按照技术要求完成焊接。

7、测试、入库

对成品模组进行性能检验，完成后将合格的成品模组包装入库。

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  PACK工序

模组再加上电池管理系统和热管理系统就可组成一个较完整的锂电池包系统，因此需要将组装完毕的模组进一步通过PACK线封装成套为电池包。

PACK工序示意图

 1、电芯分组

进行电芯的分选配组，自动分选机上设置配组的参数应为：电压差5mV；内阻差3mΩ(如果一致性要求严格可以设置1-2mΩ)。容量差无法在自动分选机上进行筛选，需要上、通过分容老化柜进行分容配组。

2、点焊

电芯装夹具时，务必按照电芯正负极顺序进行装配，顺序颠倒会造成电芯短路。设置好自动电焊机程序后，将夹具电芯放进，开始自动点焊。完成自动点焊后，品质需要对自动点焊的电池组进行点检，漏点炸点处，需要补焊。

3、绝缘处理

对电压采集线、导线、正负极输出线，进行必要固定与绝缘。辅料常规为高温胶布、青稞纸、环氧板、扎带等。

4、测试

常规测试包括：简单充放电测试、整组内阻测试、整组容量测试、整组过充测试、整组过放测试、短路测试、过流测试。如有特殊要求需进行高温低温测试、针刺测试、跌落测试、盐雾测试等。

5、包装并装箱入库

用PVC等材料对电池组进行外部包装，并装箱入库。

PACK装配过程中存在很多柔性线路及压装拧紧，要自动化的难度较高及投入产出比不高，所以后段设备的自动化程度相对于前段和中段会比较低，但是可兼容圆柱、方壳及软包三种PACK电池包装配。   PACK线量产设备的主要有两种运转类型：

1、AGV+装配台车；

2、输送线（滚筒线/倍数链）+托盘的模式。

二、移动机器人在锂电生产工序的应用

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移动机器人简介

移动机器人整体上可以分为AGV和AMR两大类。AGV（Autonomous Guided Vehicle），指装备有电磁或光学等自动导航装置，能够沿规定的导航路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。AMR（Autonomous Mobile Robot），即自主移动机器人，是一个集环境感知、动态决策规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。   由于锂电生产线以离散式居多，尽管生产过程中己使用了大量的自动化专机，但各生产环节之问的衔接仍然是以人工为主，成本高、效率低，已难以支撑行业快速增长的体量，频繁的换线转运以及对产线效率和连贯性的更高追求，为移动机器人渗透带来空间。在此机遇下，移动机器人企业快速入局，目前进军锂电行业的主要移动机器人企业包括斯坦德机器人、华睿科技、优艾智合、海康机器人、佳顺智能、迦智科技等。  

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  移动机器人主要形态

移动机器人在锂电生产线的主要形态有叉取机器人、潜伏式机器人、背负移载机器人等。

1、叉取机器人

叉取式移动机器人运载能力强可以直接叉取物料（托盘）进行运输，主要用于生产线上的原材料配送及半成品、成品的运输和工厂仓库原料码垛等，在生产中能代替人完成一些单调、频繁、劳动强度大且重复长时间作业或是危险、恶劣环境下的作业。目前市场上主力叉取型AGV/AMR负载能力在0.8-1.5吨，举升高度可达到1.6-4.5米。

2、潜伏式机器人

潜伏牵引系列移动机器人，可潜伏到料车下，利用牵引棒自动升降，挂接或脱落料车，实现物料端对端转运，打造柔性化生产线。

3、背负移载机器人

背负移载移动机器人可根据调度任务自主导航至对接线体处，实现物料在生产线间的全自动化转运。

移载机器人顶部可根据厂家需求，安置辊筒、皮带、链条等多种形状的传输模组，自动与机台、输送线等三方设备对接，完成托盘、料箱、成品搬运工作，实现全智能化流水线生产。

背负机器人可以顶起货架或者牵引料架，完成货物的转运；此外，模组的顶板可以旋转，实现同步旋转的功能，即在顶起料架的状态，机器人原地旋转，但保持料架不旋转，满足极限空间下的料架转运。

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  移动机器人在锂电生产工序的应用

移动机器人在锂电生产中主要用于物料搬运、上下料、工序间转运，前段可应用于除制浆外所有工序的自动上下料卷需求，并能够应用于前段拆包取料、涂布收放卷、辊压收放卷、分切放料、叠片机放料等工序；中后段能够满足卷绕/叠片工序中的上下料，以及生产场地对线边仓的临时储存、搬运，模组&PACK上下线搬运等需求。   前段工序中，移动机器人主要应用于来料的开包、搬运、换卷及线边转运流程。在锂电原材料仓库中，原料以吨袋或大体积卷料的形式存储，构成了大载重的物料运输场景，即便是应用半自动设备，工作人员的劳动强度依然很大，并且部分场景存在的机械伤害风险，移动机器人对繁重、重复的人工劳动进行了有效替代；各工艺间通过AGV/AMR机器人无缝衔接，能够实现数据串联，提高工厂智能化、自动化程度；机器人的应用也可以减少搬运过程中的物料损坏，提高运输准确率，更好地满足全线满产峰值需求。   中段工序，移动机器人主要应用于卷绕/叠片工序中的上下料。在制芯过程中，传统模式是由人工进行上下料与卷绕叠片机对接，不仅效率无法保证，还会存在安全风险，更重要的是柔性化不足。采用移动机器人自动搬运和对接，不仅可以满足精准对接的要求，还能够适应高洁净环境，跨区域、跨楼层工作，助力无人化上下料、搬运自动化、包装自动化及仓储物流智能化。   后段、模组及PACK工序，主要应用在封装、化成分容、测试分选、模块装配、PACK组装以及成品入库等环节。后段、模组及PACK涉及工序较多、存在较多柔性线路，移动机器人可以起到不同工序间的转运和接驳，让各工序可以更有序高效流转。尤其是Pack线及成品入库环节，叉取式和负载式移动机器人在这个环节发挥重要作用，大大降低了人工压力。

三、SCARA机器人在锂电生产工序的应用

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  SCARA机器人简介

SCARA机器人是多关节机器人中较简单的机型，具有4个自由度，在平面上具有较好的灵活性，同时在与平面垂直的方向具有较高的刚性，适合装配、分拣作业等任务。此外，由于SCARA机器人可以做到结构紧凑、动作灵活、速度快、位置精度高，SCARA的使用可提高机器人对复杂装配任务的适应性，同时有效降低成本，提高工作空间利用率。

SCARA在锂电池行业使用的主要工序则包含装配、焊接上下料、贴标、检测、化成分容、包装组装上下料等。

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  SCARA机器人在锂电各工序的应用

SCARA目前主要应用于锂电生产的中段和后段阶段，在前段工序应用较少。在中段工序，SCARA机器人应用集中于焊接领域，具体体现为极耳超声波焊工艺。在软包电池进行制作中，需要使用超声波焊接机对其极耳进行预焊，再将极耳引片和预焊后的极耳焊接在一起。预焊可以起到整形的作用，有利于盖板极耳引片与极耳之间的焊接，同时在其焊接前后与流水线的衔接中，会涉及到使用SCARA机器人对其进行上下料的操作。   在后段工序，SCARA主要应用于注液流程中。注液是将电芯和外壳之间的空隙用电解液填满这样就形成一个可充放电的电芯，注液可以由SCARA负责传送带拾取，再搭配专用设备完成。

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  SCARA机器人锂电领域的发展方向

在锂电行业，机器人企业们的争夺重点之一是重负载SCARA。50KG及以上负载的SCARA机器人可以有效满足后段PACK工艺段锂电模组重量大、节拍快、装配精度高的况需求。目前大负载SCARA的应用90%集中在锂电制造，需求旺盛，根据MIR DATABANK数据显示，预计2022全年50kg SCARA出货量可以超过1600台，同比增长近140%。   但与此同时，重负载SCARA机器人存在较高技术门槛，无论是机械设计的重新调整还是核心零部件的整体替换，都对厂商提出了更高要求，同时如何在提升负载之后平衡速度与效率也是推动重负载SCARA机器人应用的关键。

重负载SCARA在装配线应用的示意图

四、除SCARA以外其他多关节机器人

在锂电生产工序的应用

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  多关节机器人简介

多关节机器人定义为臂部有多个转动关节的机器人，一般由立柱和大小臂组成，其轴数（关节）越多，自由度越高，超过6轴为冗余自由度，其中以 4-6 轴最常见。具体来看，多关节机器人主要有两个特点：一是负载范围大，从不足1KG到2-3吨不等，能够满足多种任务的负载要求；二是作业范围大，可以适合于几乎任何轨迹或角度的工作。

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  多关节机器人在锂电领域的应用

目前而言，多关节机器人在锂电池生产环节中涉足的工序主要集中在中后段工序中，以模组、 PACK环节用量最大，包含搬运、上下料、涂胶、堆叠、焊接、分拣、清洗、入箱、锁紧、测试、包装等环节。   从应用场景来看，动力锂电池领域是多关节机器人在锂电行业应用的“高地”，已在电芯上下料、电芯分选、电芯焊接、电芯烘烤、电芯组装、模块检测、模块组装、模块紧固等具体的应用工序落地。  

多关节机器人应用环节

在动力锂电池生产线中，应用最多的为六轴关节机器人。六轴关节机器人内置有六个伺服电机，直接通过减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转。六轴工业机器人一般有6个自由度，包含旋转（S轴），下臂（L轴）、上臂（U轴）、手腕旋转（R轴）、手腕摆动（B轴）和手腕回转（T轴）；6个关节合成实现末端的6自由度动作，具有高灵活性、超大负载、高定位精度等众多优点。   六轴关节机器人可用于自动装配、喷漆、搬运、焊接及后处理等工作，可以做出灵活得像人类一样的动作，机器人可以执行操作人员的指令。锂电生产工序中段最早使用的机型就是六轴关节机器人，承担包含搬运、上下料、涂胶、堆叠、焊接、分拣、清洗、入箱、锁紧、测试、包装等工作，技术应用已经相对成熟。模组＆PACK段之前属于人工密集的工作场景，随着企业自动化需求的提升，六轴机器人的使用也逐渐开始渗透。

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  SCARA机器人和六轴机器人的对比

而在同等负载水平下，六轴机器人的成本明显高于SCARA机器人，同时在运动节拍、占地空间等要求上，SCARA的优势也更明显。以汇川技术S50为例，其标准循环节拍为0.89秒，更加灵活高效，能够助力终端用户快速提升产能，同时S50首次采用四轴快速归零，降低现场操作难度，让应用更高效。   SCARA机器人在实现产品的快速转型以及取代直线滑台上具有优势。在数码电池的生产过程中，因为电池产品种类多，需要频繁换型，SCARA使用量比较大；而动力电池产品相对单一且体积和重量较大，在产线后端的搬运和装箱上使用大负载的多关节机器人更方便。

五、协作机器人在锂电生产工序的应用

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  协作机器人简介

协作机器人（Collaborative robot)，是一种被设计成能与人类在共同工作空间中进行近距离互动的机器人，其优势在于可以适应空间狭小和行程多变的不同工作平台，同时可适应柔性化生产，在进行产线切换时，可在较短时间内快速作业，且较好地保证生产的安全性。协作机器人作为更加安全的多关节机器人衍生品，在锂电池行业的应用主要是在数码电池领域。

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  协作机器人在锂电领域的应用

在锂电行业的应用方面，针对当下锂电池行业生产存在的单机自动化、人工切换产品、交付周期长、产线智能化低等问题，协作机器人可以进行快速的部署，实现柔性化生产，并缩短单工位自动化升级的投资回报周期。   但受限于自身负载和节拍的限制，协作机器人主要应用在数码电池（小电池）的生产，而在动力电池生产中应用较少。具体来看，在数码电池的生产过程中，因为电池产品种类多，需要频繁换型，SCARA 使用量比较大，但部分场景也开始导入协作机器人，目前协作机器人主要适用于消费类软包电池的需求，可实现检测、侧烫、涂胶、贴标、焊接、上下料、码垛等工序。

六、各类机器人在锂电生产领域的应用总结

编辑：黄飞