O futuro da produção de bateria para veículos elétricos

A era dos veículos elétricos (VEs) está à vista e as baterias estão prontas para se tornar uma fonte de energia líder para a mobilidade. Para capturar participação de mercado e economias de escala, os produtores de células de bateria estão adicionando grandes quantidades de capacidade de produção. Mas esses esforços ameaçam minar a economia do setor. Para sobreviver neste mercado desafiador, os produtores precisarão reduzir os preços para usar totalmente sua capacidade; Mesmo os fabricantes de células de bateria com recursos inovadores não serão isentos. Para preservar suas margens enquanto corta os preços, os produtores precisarão reduzir seus custos de fabricação.

A market model developed by BCG forecasts that global capacity for battery cell production will exceed market demand by approximately 40% in 2021 and exert tremendous pressure on cell prices. To survive in this challenging market, producers will need to slash prices to fully use their capacity; even manufacturers of battery cells with innovative features will not be exempt. To preserve their margins while cutting prices, producers will need to reduce their manufacturing costs.

A pesquisa da BCG constata que melhorar o desempenho operacional é a maneira mais eficaz para os produtores de baterias se tornarem competitivos em um mercado sobrecarregado por excesso de capacidade. Para alcançar a excelência operacional, os produtores de bateria devem adotar os conceitos da fábrica do futuro, nos quais as tecnologias da Indústria 4.0 aprimoram as estruturas e processos vegetais. (Ver  A fábrica do futuro , BCG Focus, dezembro de 2016.)

Ao fazer a transição para a fábrica do futuro, os produtores podem reduzir os custos totais das células da bateria por quilowatt-hora (kWh) de capacidade em até 20%. A economia resulta dos custos mais baixos do CAPEX e da utilidade e das taxas de rendimento mais altas. Os custos relacionados à produção (excluindo materiais) podem ser reduzidos em 20% a 35% em cada uma das principais etapas da produção de células de bateria: produção de eletrodos, montagem de células e acabamento celular. A produção de eletrodos se beneficia de tempos de secagem mais rápidos que aumentam as taxas de rendimento e reduzem o CAPEX para o equipamento. Na montagem de células, o ajuste automatizado orientado a dados das configurações de parâmetros aumenta a precisão e reduz os tempos de produção. O acabamento celular é aprimorado em tempos mais curtos para formação e envelhecimento, o que reduz significativamente os requisitos do CAPEX. Os produtores podem adaptar as plantas existentes com aprimoramentos digitais para estruturas e processos e projetar novas plantas como fábricas do futuro. Para as montadoras que fabricam EVs nos EUA e na Europa Ocidental, o fornecimento de uma fábrica de baterias do futuro é essencial para se tornar competitivo em preços com veículos movidos a combustão antes de 2030.

Battery cell producers and automakers must take actions to capture the benefits. Producers can retrofit existing plants with digital enhancements to structures and processes and design new plants as factories of the future. For automakers that manufacture EVs in the US and Western Europe, sourcing from a battery factory of the future is essential to becoming price-competitive with combustion-powered vehicles before 2030. 

The Demand for Low-Cost Battery Capacity Is Soaring

To determine the demand for battery capacity, we used BCG’s projections for EV adoption. (See Exhibit 1 and T Ele elétrico Ponto de inflexão do carro: o futuro dos PowerTrains para mobilidade de propriedade e compartilhada , BCG Focus, janeiro de 2018.)

Specifically, our model considered the following assumptions relating to the battery capacity requirements and adoption rates of four types of EVs:

• Mild hybrid electric vehicles (MHEVs) have an internal combustion engine (ICE) plus a low-power electric engine with battery capacity of approximately 5 kWh. We estimate that MHEVs will represent 15% of the global automotive market in 2030.
• Veículos elétricos híbridos (HEVs) combinam um gelo e um motor elétrico de potência média com capacidade de aproximadamente 10 kWh. A participação de mercado em 2030 é estimada em 13%. Espera-se que a participação de mercado em 2030 seja de apenas 6%. Dependendo da aula de veículo, a capacidade da bateria pode chegar a 110 kWh. Estimamos que o BEVS representará aproximadamente 14% do mercado automotivo em 2030.
• Plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) have an ICE and a high-power electric engine with battery capacity of approximately 18 kWh. Market share in 2030 is expected to be only 6%.
• Battery electric vehicles (BEVs) have an electric motor powered by a large-capacity battery. Depending on the vehicle class, the battery capacity may be as much as 110 kWh. We estimate that BEVs will represent approximately 14% of the automotive market in 2030.

Bevs será responsável pela maior participação na demanda da capacidade da bateria. Para entender como essa demanda pode quebrar, olhamos mais de perto em quatro classificações de BEVs e seus requisitos de bateria. Também projetamos a participação de mercado de cada classe de veículo.

• Urban. A bateria é carregada durante a noite usando a tensão padrão de pontos de venda nas garagens ou na rua. Previmos que as aplicações urbanas representarão aproximadamente 20% do mercado de BEV em 2030. These small vehicles are typically used for short-range commuting within cities. The battery is charged overnight using standard voltage from outlets in garages or on the street. We forecast that urban applications will represent approximately 20% of the BEV market in 2030. 
• Família. Os tempos de carregamento variam de 30 a 60 minutos em estações de carregamento de alta potência. A participação de mercado estimada em 2030 é de aproximadamente 40%. O tempo necessário para carregar completamente essas baterias é de aproximadamente duas horas. Capacidade suficiente para 125 milhas de condução está disponível após cobrar por 15 minutos. Espera -se que a participação de mercado em 2030 atinja aproximadamente 25%. These midsize cars are used for midrange, intercity travel. Charging times range from 30 to 60 minutes at high-power charging stations. The estimated market share in 2030 is approximately 40%.
• Premium. Vehicles in this segment use the most powerful engines of all BEV types, allowing for ranges of approximately 500 miles. The time required to fully charge these batteries is approximately two hours. Enough capacity for 125 miles of driving is available after charging for 15 minutes. The market share in 2030 is expected to reach approximately 25%.
• Robo-Taxi. Esses táxis autônomos serão usados ​​para o transporte urbano. Gerenciamento avançado de frota e tempos de carregamento muito curtos (10 a 15 minutos) em estações de alta potência permitirão um driving range de até 125 milhas. O Robo-Taxis será vendido aos operadores de frota, não aos consumidores. Estimamos que esses veículos representarão aproximadamente 15% do mercado de BEV em 2030.

On the basis of these assumptions, we found that the annual demand for battery capacity will increase from 70 gigawatt hours in 2017 to 800 to 900 gigawatt hours in 2030.

Auto manufacturers do not only need more battery capacity to meet EV demand, they also need mais barato baterias. Os referências atuais da indústria sugerem que o trem de força elétrico (incluindo o motor elétrico, a eletrônica de potência e a bateria) representará pelo menos 50% do custo de um BEV. Em comparação, o trem de força de gelo normalmente representa aproximadamente 16% do custo de um veículo tradicional. (Consulte Anexo 2.) A bateria (incluindo o sistema de gerenciamento de bateria) é o principal custo, representando cerca de 35% do custo geral do veículo. As empresas que buscam reduzir o custo dos BEVs têm um imperativo claro: reduz o custo das baterias. As células são o componente de maior custo, representando aproximadamente 70% do custo total das baterias. Hoje, a maioria das grandes montadoras terceiriza a produção de células para produtores de bateria. No entanto, as montadoras normalmente executam o módulo e a montagem de embalagens internamente e planejam continuar fazendo isso. Como os módulos e os pacotes são críticos para determinar a faixa de um EV e a taxa de carregamento, as montadoras querem controlar como o espaço da bateria é usado e resfriado. No futuro, as baterias se tornarão um aspecto ainda mais essencial do design do veículo. Tais anúncios ocorreram com frequência no ano passado. Por exemplo, a fabricante chinesa de baterias contemporânea da Amperex Technology anunciou planos para construir sua primeira fábrica européia de baterias de EV na Alemanha, e a montadora dos EUA Tesla disse que está pensando em abrir uma fábrica de produção de células na Alemanha. As maiores fábricas de produção de células estão planejadas para a Ásia, com os fabricantes chineses tornando os aumentos mais íngremes de capacidade. Embora a demanda global por baterias de EV deve aumentar significativamente, ela não alcançará a capacidade de produção planejada no curto prazo. Previmos que, até 2021, aproximadamente 40% da capacidade de produção instalada não será utilizada em todo o mundo. Na China, esse número excederá 60%. Além disso, grande parte da capacidade recém -instalada visa produzir projetos de baterias que se tornarão rapidamente desatualizados.

A battery pack consists of multiple battery modules, each of which typically contains 6 to 12 battery cells. Cells are the most cost-intensive component, representing approximately 70% of the total cost of battery packs. Today, most large automakers outsource cell production to battery producers. However, automakers typically perform module and pack assembly in-house and plan to continue doing so. Because modules and packs are critical to determining an EV’s range and charging rate, automakers want to control how the battery pack space is used and cooled. Going forward, battery packs will become an even more essential aspect of vehicle design.

Planned Production Increases Will Create Price Pressure

In an effort to reduce cell production costs through economies of scale, leading battery producers have announced plans to add significantly more production capacity. Such announcements have occurred frequently in the past year. For example, Chinese battery maker Contemporary Amperex Technology announced plans to build its first European EV battery factory in Germany, and US automaker Tesla has said it is considering opening a cell production factory in Germany. The largest cell production factories are planned for Asia, with Chinese manufacturers making the steepest increases in capacity.

Through 2021, the planned increases would more than double the installed global production capacity. Even though global demand for EV batteries is expected to rise significantly, it will not catch up to the planned production capacity in the near term. We forecast that by 2021, approximately 40% of installed production capacity will be unused worldwide. In China, this figure will exceed 60%. Moreover, much of the newly installed capacity is intended to produce battery designs that will quickly become outdated.

Para usar totalmente sua capacidade instalada, os produtores precisarão reduzir os preços da bateria. De fato, prevemos que os preços diminuirão em mais de 50% nos próximos dez anos. A indústria de painéis solares fornece um exemplo de advertência: a excesso de capacidade de produção de 35% reduziu os preços dos painéis solares em mais de 50% de 2006 a 2015.

O declínio do preço gerará uma redução equivalente no custo máximo de fabricação que permite a produção de bateria lucrativa. Até 2021, o custo por kWh será de US $ 153, abaixo dos US $ 195 por kWh em 2018. As previsões anteriores foram muito mais favoráveis ​​aos produtores. Em 2010, a previsão de custo mais otimista para a produção lucrativa em 2021 foi de US $ 270 por kWh. O número de 2018 já está 28% menor que a previsão de 2010. Assim, o BEVS se tornaria competitivo em custos com veículos de gelo, especialmente considerando incentivos fiscais para a compra de BEVs. Embora o diferencial de preço mais baixo promova maior adoção de BEVs, prevê -se persistir a excesso de capacidade na produção de bateria.

On the basis of current estimates, the price of a battery pack for a midsize car will range from $7,600 to $10,700 in 2021. In this scenario, the price differential between BEVs and ICE vehicles in this category will decline to less than $5,000. BEVs would thus become cost competitive with ICE vehicles, especially considering tax incentives for the purchase of BEVs. Although the lower price differential will promote higher adoption of BEVs, overcapacity in battery production is forecast to persist.

Os produtores de bateria devem encontrar maneiras de aliviar a pressão de preço resultante da excesso de capacidade. Os jogadores que procuram entrar no setor com produtos inovadores enfrentam o desafio adicional de ter que lidar com preços mais baixos antes de alcançarem economias de escala. Os custos relacionados à produção (excluindo materiais) representam 30% a 40% dos custos celulares. (Os custos de integração e materiais de módulo e pacotes estão fora do escopo de nossa discussão aqui.)

The Solution: Reduce Cell Production Costs

Because cells represent about 70% of total battery pack costs, cell production is the most important step of battery production to target in order to reduce the price of battery packs. Production-related costs (excluding materials) represent 30% to 40% of cell costs. (The costs of module and pack integration and materials are outside the scope of our discussion here.)

O custo da produção de células é medido como a proporção do conteúdo de custo de fabricação / energia (medido em kWh). Existem duas maneiras principais de reduzir os custos de produção celular: usando avanços na precisão da produção e química celular para aumentar o teor de energia no mesmo volume e peso (ou seja, densidade de energia) e aplicar conceitos de fábrica do futuro (que melhoram a estrutura e os processos da planta e digitalizam a planta) para reduzir os custos de fabricação. Essas abordagens podem ser aplicadas da mesma forma a montagem de módulos e embalagens, permitindo reduções de custos no nível geral da bateria. (Consulte o Anexo 3.)

A indústria está fortemente focada na primeira abordagem. Para a atual tecnologia de íons de lítio, as densidades de energia de 400 a 450 watts por litro (WH/L) podem ser realizadas no nível celular. Até 2023, previmos que as densidades de energia poderiam aumentar para 650 a 700 WH/L. As densidades mais altas resultarão da maior precisão da produção (mais 150 WH/L) e inovações em química (mais 100 a 150 Wh/L). Mas as densidades mais altas não podem ser alcançadas economicamente usando o método de fabricação tradicional (conhecido como Winding), porque não é capaz de produzir projetos de baixa tolerância. Considerando que o alto nível de Capex exigia, as inovações para aumentar a densidade de energia não serão suficientes para salvar a economia do setor. Os produtores de células de bateria não se concentraram com força suficiente no uso de aprimoramentos digitais na produção para reduzir os custos de fabricação. Como os custos de mão-de-obra são um elemento relativamente pequeno dos custos totais de produção celular, esses conceitos de fábrica do futuro são a maneira mais eficaz de reduzir os custos relacionados à produção. (Consulte a Figura 4.) Abaixo, destacamos a participação de custo de cada etapa, os principais desafios e a maioria dos processos de custo intensivo. Nossa análise baseia -se no pressuposto de que as células prismáticas serão o design dominante usado nas baterias de EV. (Consulte “Três tipos de design de células.”)

Companies will need to invest in a new method (known as stacking) in order to make higher-density cells. Considering the high level of capex required, innovations to increase energy density will not, by themselves, be enough to save the industry’s economics. Battery cell producers have not focused strongly enough on using digital enhancements in production to reduce manufacturing costs. Because labor costs are a relatively small element of total cell-production costs, these factory-of-the-future concepts are the most effective way to reduce production-related costs.

To identify how the factory of the future can reduce the cost of manufacturing battery cells, it is essential to understand the three major steps, each comprising multiple processes. (See Exhibit 4.) Below, we highlight each step’s cost share, major challenges, and most cost-intensive processes. Our analysis is based on the assumption that prismatic cells will be the dominant design used in EV battery packs. (See “Three Types of Cell Design.”)

Electrode Production. This step accounts for 39% of the production-related costs of battery cells. There are separate, but similar, processes for anode and cathode production. The major challenges are processing time and yield rate. Coating and drying is the most cost-intensive process. An active material slurry is coated onto thin foil, and the solvent is removed in the subsequent drying process. Drying, which can take two to six minutes, accounts for most of the processing costs, owing to large capex investments and a high level of energy consumption. Machine downtime resulting from unplanned stoppages can drive costs significantly higher.

Cell Assembly. The assembly step is responsible for 20% of the production-related costs of battery cells. Overcoming the challenges of particle generation and processing stability are essential to prevent internal short circuits that render the cell permanently unusable. The lion’s share of costs relates to generating active material compounds. As noted, producers must use stacking technology in compound generation in order to achieve high energy densities. However, the complexity of stacking and the need to process compounds slowly to achieve accuracy makes it the largest cost factor of cell assembly.

Cell Finishing. The finishing process accounts for 41% of the production-related costs of battery cells. Formation and aging are the most cost-intensive processes, reflecting the challenges of processing time and yield rate.

In the formation process, cell properties are established through multiple charging and discharging cycles. The processing time at cost-intensive stations can range from two to ten hours. In the aging process, finished battery cells are stored for several weeks in order to identify micro short circuits. At any given time, a producer may need to store several hundred thousand cells in warehouses that require expensive environmental controls and safety precautions. Maximizing the yield rate is the major challenge for this processing stage.

Battery Cell Costs Can Fall by as Much as 20% in the Factory of the Future

The application of next-generation digital technologies enables battery factories to transition from the earliest stage of Industry 4.0 maturity (transparency in operational performance) to the most advanced factory-of-the-future design (fully automated factories). Total battery cell costs per kWh of capacity can be reduced by up to 20%, above and beyond savings that result from improvements to production accuracy and chemistry. Production-related costs (excluding materials) can be reduced by 25% in electrode production, 20% in cell assembly, and 35% in cell finishing. Additionally, energy density on the cell level improves by 10% to 15%. (Applying factory-of-the future concepts to module and pack integration offers further savings potential, which is not considered here.)

Four factory-of-the-future use cases are especially valuable for reducing costs: 

• Predictive Maintenance. Predictive maintenance can reduce cell production costs by 7% to 10%. This use case promotes benefits in each step of cell production, because planned and unplanned machine stops significantly affect costs in a variety of processes. These stoppages typically reduce overall equipment effectiveness by 5% to 10%. The impact is highest in the coating and drying process, followed by formation, compound generation, and aging. Smart monitoring of machine conditions and predictive correction of parameter settings can prevent unplanned stoppages and extend the operating time of machine components. Smart planning and scheduling of maintenance optimizes maintenance processes, thereby reducing planned downtimes and repair times. The resulting increase in machine uptime allows producers to purchase smaller-capacity machines, enabling capex reductions. The required technologies are sensors for monitoring machine conditions, a local data analytics platform in the factory, and local data storage.
• Processamento baseado em material. Os sensores medem a qualidade do material e fornecem feedback em tempo real para que as máquinas possam ajustar o processo, reduzindo o tempo de secagem, por exemplo ou alterando a pressão do calendário. Além dos sensores, os requisitos de tecnologia incluem armazenamento de dados local, um conjunto de ferramentas de análise e uma interface entre o sistema de análise de dados e o sistema de controle de máquina. By increasing the efficiency of electrode production, material-based processing (for example, measuring the actual composition of the cathode material slurry to control the coating and drying process) can reduce cell production costs by up to 8%. Sensors measure material quality and provide real-time feedback so machines can adjust the process, reducing drying time, for example, or altering calendaring pressure. In addition to sensors, technology requirements include local data storage, an analytics tool set, and an interface between the data analytics system and the machine control system.
• Configuração de parâmetros inteligentes. Os produtores podem usar dados sobre a precisão do revestimento do eletrodo para ajustar as configurações de processo para modelagem de eletrodos e geração de compostos. As melhorias permitem que os produtores reduzam a tolerância dos compostos de ± 1,0 milímetro a ± 0,1 milímetro. A maior precisão permite maior densidade de energia, levando a menores custos de produção por kWh. Os produtores também podem reduzir o tempo de formação ajustando os parâmetros de formação com base nas propriedades reais do eletrodo e nos parâmetros da célula atual. A economia de custos resulta da redução do CAPEX, da maximização da capacidade celular e da redução de variações entre as células. Para capturar os benefícios, um produtor precisa de um banco de dados central para armazenar parâmetros de processo e medições de qualidade do produto realizadas em estações de trabalho relevantes. Os requisitos adicionais incluem um conjunto de ferramentas de análise de big data, conectado em tempo real a sensores que medem as configurações de parâmetros de montagem. Os requisitos técnicos incluem recursos para medir a qualidade em toda a cadeia de valor, um lago de big data (um repositório de dados em sua forma nativa) e um conjunto de ferramentas de análise que permite a análise em tempo real. Um sistema de execução de fabricação (MES) fornece entradas críticas de dados para ferramentas de análise. Todas as plantas seriam obrigadas a ter um MES, para que os produtores possam analisar parâmetros de fabricação e medições de qualidade relacionadas. Essas análises são necessárias para atender aos padrões industriais globais para a qualidade do produto e a segurança do transporte. Os estudos do BCG descobriram que a maioria dos produtores de bateria considera um MES apenas como um fator de custo, sem o potencial de retorno. No entanto, ao implementar um MES em combinação com ferramentas avançadas de análise, os produtores podem obter uma economia significativa de custos. (Consulte o Anexo 5.) Smart parameter setting in cell assembly and cell finishing allows producers to reduce cell production costs by up to 10%. Producers can use data about electrode coating accuracy to adjust process settings for electrode shaping and compound generation. The improvements allow producers to reduce compound tolerance ranges from ±1.0 millimeter to ±0.1 millimeter. The greater accuracy enables higher energy density, leading to lower production costs per kWh. Producers can also reduce formation time by adjusting formation parameters based on actual electrode properties and current cell parameters. Cost savings result from reducing capex, maximizing cell capacity, and reducing variations among cells. To capture the benefits, a producer needs a central database to store process parameters and product-quality measurements taken at relevant workstations. Additional requirements include a big data analytics tool set, connected in real time to sensors that measure assembly parameter settings.
• Smart Inline Quality Control. Using big-data analytics to improve quality control during cell finishing can reduce cell production costs by up to 15%. Technical requirements include capabilities to measure quality throughout the value chain, a big-data lake (a repository of data in its native form), and an analytics tool set that enables real-time analysis. A manufacturing execution system (MES) provides critical data inputs to analytics tools. All plants would be required to have an MES, so that producers can analyze manufacturing parameters and related quality measurements. These analyses are necessary to meet global industrial standards for product quality and transportation security. BCG studies have found that most battery producers regard an MES purely as a cost factor, without payback potential. However, by implementing an MES in combination with advanced analytics tools, producers can achieve significant cost savings.

Each step of cell production can benefit from one or more of these use cases. (See Exhibit 5.)

• = Produção de eletrodos. Por exemplo, variações na pasta e matriz de revestimento do material podem levar a desvios da linha central na geometria do eletrodo, o que requer a demolição do eletrodo. As fábricas de hoje abordam o problema, aumentando as faixas de tolerância para os eletrodos, mas isso reduz a densidade de energia das células. As máquinas de mistura e revestimento estão equipadas com sensores de material que determinam a composição da pasta de material ativo e ajustam-a usando feedback em tempo real das estações subsequentes: as máquinas de secagem, corte e calendário. Além disso, as configurações de parâmetros inteligentes para o calendário e a secagem a vácuo permitem o auto-ajuste com base nas medições de porosidade e umidade realizadas antes e após o calendário. Como os processos são auto-ajustados, os produtores podem apertar a faixa de tolerância para eletrodos e, assim, aumentar a densidade de energia. No geral, os controles de processos inteligentes nas estações de revestimento e secagem podem reduzir os tempos de secagem em até 40%. Além disso, os robôs avançados suportam a produção de eletrodos executando tarefas de carregamento, configuração e descarregamento que são realizadas manualmente hoje. Como as máquinas de montagem atuais normalmente dependem do controle estatístico da máquina, elas não se ajustam às variações reais nas geometrias de parte. Isso limita a precisão da máquina e, consequentemente, reduz a densidade de energia. Na fábrica do futuro, as configurações de parâmetros inteligentes que permitem a medição embutida das geometrias de peça podem aumentar a precisão da máquina de montagem, melhorando assim a capacidade celular. As primeiras aplicações demonstraram que a capacidade celular pode ser aumentada em aproximadamente 15%, em comparação com os processos de montagem convencionais que requerem configurações de parâmetros fixos. During electrode production, variations in the composition of raw materials lead to high levels of scrap. For example, variations in the material slurry and coating die can lead to centerline deviations in electrode geometry, which necessitate scrapping the electrode. Today’s factories address the problem by increasing the tolerance ranges for electrodes, but this reduces the energy density of cells.

In the factory of the future, material-based processing uses inline process controls to allow machines to proactively respond to centerline deviations. Mixing and coating machines are equipped with material sensors that determine the composition of the active material slurry and adjust it using real-time feedback from the subsequent stations: the drying, slitting, and calendaring machines. In addition, smart parameter settings for calendaring and vacuum drying allow for self-adjustment on the basis of porosity and humidity measurements taken before and after calendaring. Because processes self-adjust, producers can tighten the tolerance range for electrodes and thereby increase energy density. Overall, smart process controls within coating and drying stations can reduce drying times by up to 40%. In addition, advanced robots support electrode production by performing loading, setup, and unloading tasks that are done manually today.

• Cell Assembly. The tolerance level that can be achieved during assembly determines a cell’s energy density. Because current assembly machines typically rely on statistical machine control, they do not adjust to actual variations in part geometries. This limits machine accuracy, and, consequently, reduces energy density. In the factory of the future, smart parameter settings that enable inline measurement of part geometries can increase assembly machine accuracy, thereby improving cell capacity. The first applications have demonstrated that cell capacity can be increased by approximately 15%, compared with conventional assembly processes that require fixed parameter settings.

As máquinas de montagem de hoje podem produzir um tipo de célula, química e design específico, com variações limitadas. Sempre que um produtor introduz um novo produto, ele deve fazer investimentos significativos em novas máquinas de montagem e pode até precisar construir uma fábrica totalmente nova. Na fábrica do futuro, as máquinas de montagem modulares direcionadas por sistemas de definição de parâmetros inteligentes e suportados por robôs avançados podem produzir uma ampla gama de geometrias celulares. Isso permitirá que os fabricantes criem uma variedade maior de produtos em uma única linha de produção-uma capacidade de mudança de jogo para a produção de bateria. O portfólio de produtos expandido pode incluir células usadas para aplicações não automotivas, como armazenamento.

• acabamento da célula. O gêmeo digital é usado na etapa de acabamento em células para o controle inteligente da qualidade em linha, permitindo que o produtor reduza bastante o número de estações de corrente física. Para cada célula, os parâmetros de preenchimento e pré -ciclismo de eletrólitos são ajustados automaticamente com base nos recursos representados no gêmeo digital. Por exemplo, a máquina de enchimento pode ajustar seu fluxo e pressão usando as medições da propriedade do material registradas durante a produção de eletrodos. As melhorias resultam em tempos de enchimento mais curtos. Os mesmos parâmetros baseados na experiência são usados ​​para todas as células produzidas. No entanto, como variações aceitáveis ​​tornam cada célula diferentes parâmetros fixos impedem que os produtores maximizem o desempenho das células. Na fábrica do futuro, os produtores analisam os dados representados em gêmeos digitais para definir parâmetros específicos da célula para o processo de formação, adaptando-se assim a variações e maximizando o desempenho. Além disso, ao aplicar medições de qualidade tomadas durante as etapas anteriores (produção de eletrodos e montagem de células) e processos (enchimento), os produtores podem reduzir o tempo de formação em até 20%. Essa capacidade de análise avançada permite que os produtores determinem o risco de micro circuitos curtos para cada célula sem a necessidade de medições físicas. Somente células para as quais a qualidade permanece em dúvida após a análise dos dados precisará passar pelo processo de envelhecimento-uma abordagem chamada As each cell is assembled in the factory of the future, the production system generates a digital twin—a multidimensional digital representation of the cell, including data such as component specifications and in-process quality measurements. The digital twin is used in the cell-finishing step for smart inline quality control, allowing the producer to greatly reduce the number of physical checking stations. For each cell, electrolyte filling and precharging parameters are automatically adjusted on the basis of the features represented in the digital twin. For example, the filling machine can adjust its flow and pressure using the material property measurements recorded during electrode production. The improvements result in shorter filling times.

In today’s factory, engineers rely on experience, rather than physical correlations, to set formation parameters. The same experience-based parameters are used for every cell produced. However, because acceptable variations make each cell different, fixed parameters prevent producers from maximizing cell performance. In the factory of the future, producers analyze data represented in digital twins to set cell-specific parameters for the formation process, thereby adapting to variations and maximizing performance. Additionally, by applying quality measurements taken during previous steps (electrode production and cell assembly) and processes (filling), producers can reduce formation time by up to 20%.

Aging time can be reduced by up to 80% through smart inline quality control that uses product measurement data collected throughout the entire value chain. This advanced analytics capability allows producers to determine the risk of micro short circuits for each cell without the need for physical measurements. Only cells for which quality remains in doubt after the data analysis will need to go through the aging process—an approach called  Envelhecimento sob demanda. Como a maioria das células ignora o processo de envelhecimento, um produtor precisa de um espaço de armazém significativamente menos e equipamentos relacionados. 

Os produtores podem continuar a capturar benefícios dos aprimoramentos digitais após a bateria estar em serviço. Por exemplo, eles podem analisar dados sobre o uso da bateria e o desempenho das células gerados pelos VEs na estrada. Os insights podem ser aplicados para melhorar o projeto de bateria e os processos de fabricação. Os produtores devem limitar o investimento de adaptação para uma máquina específica a, no máximo, 10% de seu custo original. Um investimento mais alto provavelmente exigiria que o produtor encerrasse a produção por uma quantidade significativa de tempo, o que seria menos econômico do que a construção de uma nova linha de produção. Para selecionar e implementar as tecnologias corretas, os produtores devem executar as seguintes ações:

Battery Producers Must Retrofit Plants or Build New Ones

The steps to implement the factory of the future depend on whether a factory is operating or in the planning stage.

Existing Factories. Given the challenges of integrating Industry 4.0 into an existing factory, battery producers should limit the retrofitting investment for a particular machine to, at most, 10% of its original cost. A higher investment would likely require the producer to shut down production for a significant amount of time, which would be less cost-effective than building a new production line. To select and implement the right technologies, producers should take the following actions:

• Avalie o estado atual da planta, incluindo a maturidade das aplicações digitais, e identifique os pontos de dor na cadeia de valor que podem abordar os custos mais altos. Economia e outros benefícios que cada solução poderia gerar abordando os pontos de dor.
• Choose new digital solutions that can address the identified pain points.
• Prioritize the identified solutions on the basis of their value: quantify the potential costs savings and other benefits that each solution could generate by addressing the pain points.
• Launch pilots of the prioritized use cases and develop a detailed implementation roadmap.

Fábricas planejadas. As etapas a seguir podem ser usadas para identificar e capturar o valor: For plants in the planning phase, producers have more freedom to realize the full concept of a factory of the future. The following steps can be used to identify and capture the value:

• Desenvolva um mapa de fluxo de valor, que é um resumo de baixo para cima dos processos e custos. Encomende a base para estabelecer especificações da máquina e selecionar fornecedores. É fundamental fornecer informações sobre as medições de processo necessárias e os fluxos de dados para as equipes que projetam processos e produtos. O fornecimento de baterias de uma fábrica do futuro pode não apenas facilitar a transição, mas também ajudar as montadoras em exercício a competir efetivamente contra startups que se concentram apenas no design e na fabricação de VEs. No entanto, o uso de células padronizadas restringe os projetos das montadoras para trens de energia eletrificados. Para continuar sendo competitivo, os fabricantes de automóveis precisam de baterias personalizadas para as especificações de cada plataforma de veículo. Somente então as montadoras podem alcançar um melhor desempenho do veículo por meio do aumento da vida útil da bateria e da faixa operacional, por exemplo. De fato, esperamos que, depois de 2030, o nível de personalização em faixas de força eletrificadas possa exceder o de Trins Powerinse de gelo hoje. Essas parcerias devem dar às montadoras profundas idéias sobre os principais desafios da produção de baterias e permitir que eles participem do desenvolvimento de soluções tecnológicas inovadoras. A estreita colaboração entre montadoras e produtores de baterias também permitirá que as partes ajustem rapidamente os processos de produção para novas dimensões e químicas celulares e integrem novos designs de baterias em veículos. Como referência da indústria, a capacidade de produção de 10 horas por ano é considerada o limite inferior para alcançar os efeitos da escala necessários para a produção competitiva em custos. Isso corresponde a aproximadamente 150.000 eVs por ano. De acordo com anúncios recentes, muitas montadoras estabelecidas estão visando vendas de mais de 1 milhão de eVs por ano até 2030. Nesse nível de vendas, a produção interna de células de bateria se tornaria viável para esses fabricantes. E, como eles têm décadas de experiência na otimização de sistemas de produção em massa, muitos deles também podem otimizar as linhas de produção de baterias em escala. nos custos de desembarque com seus colegas na China e na Europa Oriental. (Consulte o Anexo 6.)
• Ensure that the factory plans specify the required information flows among processes, as well as the sensors, machine controls, and tools necessary to apply advanced analytics.
• Detail the process and material flows in the factory design, in order to provide the basis for setting machine specifications and selecting suppliers.
• Create a detailed implementation roadmap that covers activities through the start of production at the factory. It is critical to provide information about the required process measurements and data flows to teams designing processes and products.

Automakers Should Seize a Landed-Cost Advantage

Automakers that currently manufacture ICE vehicles can find it difficult to transition to electric mobility. Sourcing batteries from a factory of the future can not only facilitate the transition but also help incumbent automakers effectively compete against startups that solely focus on designing and manufacturing EVs.

Today, most auto manufacturers of EVs purchase standardized battery cells from producers with factories that are designed to achieve economies of scale. However, using standardized cells constrains automakers’ designs for electrified powertrains. To continue to be competitive, auto manufacturers need batteries that are customized to the specifications of each vehicle platform. Only then can automakers achieve better vehicle performance through increased battery life and operating range, for example.

Advances in battery technology are enabling customized cell designs, and the battery factory of the future makes it economical to produce customized cells. Indeed, we expect that after 2030, the level of customization in electrified powertrains could exceed that of ICE powertrains today.

To benefit from these advances in the near term, automakers should move beyond traditional supplier relationships by forming strategic partnerships with battery producers that are taking the lead in applying cutting-edge technology. Such partnerships should give automakers deep insights into the major challenges of battery production and allow them to participate in developing innovative technological solutions. Close collaboration between automakers and battery producers will also enable the parties to quickly adjust production processes to new cell dimensions and chemistries and integrate new battery designs into vehicles.

Over the long term, it could be economical for automakers to build their own factories to produce customized battery cells for future generations of EVs. As an industry benchmark, production capacity of 10 gigawatt hours per year is considered the lower limit for achieving the scale effects required for cost-competitive production. This corresponds to approximately 150,000 EVs per year. According to recent announcements, many established automakers are targeting sales of more than 1 million EVs per year by 2030. At that sales level, the in-house production of battery cells would become feasible for these manufacturers. And given that they have decades of experience in optimizing mass production systems, many of them could optimize battery production lines at scale as well.

Indeed, for automakers in the US and Western Europe, sourcing batteries from a factory of the future (whether a supplier’s or their own) will be essential to reduce landed costs to the levels required to reach price-competitiveness with ICE vehicles well before 2030. The cost improvements will also allow these automakers to compete on landed costs with their counterparts in China and Eastern Europe. (See Exhibit 6.)

Fábricas de bateria existentes e subestimadas na China e na Europa Oriental não usam conceitos de fábricas de destaque. Isso cria uma abertura para as montadoras dos EUA e da Europa Ocidental para aproveitar uma vantagem de custo de terra. A percepção de uma economia de 20%, adquirindo baterias de uma fábrica do futuro, reduziria o CAPEX, despesas equivalentes em tempo integral e consumo de energia. Com a economia possibilitada pelos conceitos de fábrica do futuro, o custo aterrado da fabricação de EV nos EUA e na Europa Ocidental cairia abaixo do custo de desembarque na China em 12% e 17%, respectivamente. Além disso, o custo terrestre da fabricação de EV na Europa Ocidental seria 3% menor que o da Europa Oriental.

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Ao implementar a fábrica do futuro, os produtores de bateria neutralizarão os preços mais baixos que resultam da excesso de capacidade e ajudarão toda a indústria de mobilidade a realizar o potencial dos VEs. Os produtores não podem contar com a química de células superiores para salvar sua economia. Para alcançar a lucratividade, eles precisam reduzir os custos de fabricação. A fábrica do futuro compreende as tecnologias e sistemas necessários para atingir esse objetivo, reduzindo a redução de custos de até 20%. Os primeiros produtores a colher as recompensas emergirão como os líderes de custo do setor. A corrida para o futuro da produção de bateria começa hoje. Daniel Küpper