Por outro lado, são necessárias grandes baterias do tamanho de contentores para o armazenamento de energia em aplicações residenciais, comerciais e de serviços públicos, de forma a proporcionar estabilidade às redes de energia verde do futuro.
Oferta e procura de baterias:
Graças a investimentos e planeamento históricos, a Coreia do Sul e a China tornaram-se os principais destinos para o fabrico de baterias. A China é o maior fabricante mundial de baterias de iões de lítio, responsável por aproximadamente 80% da produção global. A consultora McKinsey & Company prevê que a capacidade total de produção da China atinja aproximadamente 1.220 GWh até 2025.
À medida que os governos ocidentais começam a planear a sua transição da mobilidade baseada em combustíveis fósseis para a adoção de veículos elétricos — para cumprir as metas ambientais estabelecidas no Acordo de Paris — a capacidade de produção de baterias a nível local torna-se necessária. Por conseguinte, a capacidade da Europa para fabricar baterias de lítio está a aumentar, à medida que os fabricantes locais e os investidores estrangeiros se preparam para satisfazer a procura. Foram anunciados planos para novas fábricas e expansões de instalações existentes que poderão aumentar a capacidade de produção de baterias de iões de lítio para quase 500 GWh até 2025 e potencialmente atingir quase 800 GWh até 2030.
Os conjuntos de baterias para os mercados automóvel, de mobilidade elétrica e de uso geral podem ser construídos com células cilíndricas em tamanhos padrão da indústria, como o formato 18650 (18 mm de diâmetro, 65 mm de comprimento), ou com células planas em tamanhos standard ou personalizados. As células planas podem ser prismáticas, geralmente alojadas numa caixa quadrada de alumínio soldada, ou do tipo bolsa flexível. Embora as células cilíndricas beneficiem da elevada resistência e durabilidade, as células planas podem aproveitar melhor o espaço dentro do conjunto de baterias. As células do tipo bolsa, que não possuem caixa metálica, são as mais compactas e leves, embora geralmente exijam um suporte mecânico adicional dentro do conjunto de baterias.
Fabrico de Baterias Seguras e Acessíveis:
No fabrico de baterias de qualquer tipo, o processo inicia-se com a preparação e aplicação de revestimentos ativos e condutores nas folhas dos elétrodos, seguida da laminação. A precisão e a repetibilidade são cruciais para garantir a consistência de características como a composição e a espessura do revestimento. O ajuste fino dos parâmetros das células dentro da bateria ajuda a garantir a segurança e a longevidade.
A rapidez e a eficiência também são críticas, especialmente para atender a mercados sensíveis ao preço, como a indústria automóvel. A ansiedade em relação à autonomia e a acessibilidade são duas questões-chave que influenciam a adoção em larga escala de veículos elétricos. A bateria contribui substancialmente para cada uma delas. Aumentar a capacidade da bateria significa uma maior autonomia, mas também um custo mais elevado do veículo. Prevê-se que o custo se iguale ao dos veículos convencionais com motor de combustão interna por volta de 2025, e a venda de novos veículos com motor de combustão interna deverá cessar nos principais mercados ocidentais e na China a partir de aproximadamente 2030. Os fabricantes precisam de reduzir o custo das baterias para veículos elétricos. Embora as economias de escala certamente ajudem, a maximização da produtividade do fabrico é também essencial para garantir a ampla adoção de automóveis após a eliminação gradual do motor de combustão interna.
A automatização é fundamental para alcançar a velocidade e a repetibilidade necessárias para garantir a fiabilidade e a relação custo-benefício. Os equipamentos automatizados personalizados são frequentemente utilizados em processos como a preparação e revestimento de folhas de elétrodos, laminação das folhas, corte em tiras e soldadura dos elétrodos.
Para construir uma célula cilíndrica, as tiras de folha são enroladas para formar o núcleo da célula, composto pelo ânodo, separador e cátodo, que é depois inserido na carcaça cilíndrica. A carcaça é ranhurada para manter o núcleo no lugar, preenchida com eletrólito, selada e os contactos externos são fixados. As células planas são fabricadas seguindo uma sequência semelhante, que inclui o empilhamento das camadas de elétrodos, a soldadura da caixa prismática e a formação e selagem da bolsa através de processos de selagem a quente e a vácuo. As células e os conjuntos de baterias são submetidos a testes elétricos e inspeção automatizada por raios X para garantir o seu desempenho e integridade. Automação flexível
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A introdução de robôs na sequência de fabrico oferece vantagens como tempos de ciclo rápidos e um funcionamento preciso e repetível. Além disso, a integração do sistema é acelerada com a utilização de robôs programáveis disponíveis comercialmente. Outras vantagens incluem a fácil escalabilidade, com a flexibilidade para adaptar o layout da fábrica e os processos de montagem à medida que as exigências do mercado e os requisitos dos clientes evoluem.
A Yamaha fornece os seus robôs a fabricantes de baterias em toda a China e Coreia, o centro das maiores e mais bem-sucedidas indústrias de fabrico de baterias da atualidade. Os robôs executam processos selecionados na sequência de fabrico. De facto, existem atualmente mais de 3.000 robôs SCARA implantados no fabrico de baterias na China. São amplamente utilizados para carregar e descarregar materiais, componentes e conjuntos semiacabados à medida que as baterias se movem de um processo de fabrico automatizado para o seguinte.
A precisão e a alta velocidade são, obviamente, pré-requisitos para estas sequências de carga e descarga. Assim como repetibilidade e fiabilidade; as elevadas exigências do mercado significam que a produção funciona geralmente 24 horas por dia, sete dias por semana. As principais marcas de baterias escolheram os robôs SCARA YKXG da Yamaha para estas aplicações (Figura 1). O seu mecanismo de acionamento sem correia de alto desempenho, com motores de eixo vertical e fusos de esferas de acionamento direto, permite um funcionamento contínuo durante longos períodos com uma precisão consistente. As perdas de movimento, bem como a degradação e o risco de quebra associados às alternativas convencionais de transmissão por correia, são também eliminados. A transmissão sem correia, que não necessita de manutenção, também reduz os custos de operação.
Figura 1. Os robôs SCARA YKXG da Yamaha caracterizam-se pela transmissão sem correias e pela elevada capacidade de carga.
A ampla adoção de veículos elétricos gerou uma forte procura do mercado por maior autonomia. Consequentemente, os fabricantes de automóveis estão a especificar baterias de maior capacidade. A série YKXG possui as credenciais necessárias para satisfazer esta tendência, com uma capacidade máxima de carga de até 20 kg para o manuseamento de baterias de grandes dimensões e conjuntos de baterias parcialmente montados. O design especial do eixo R da Yamaha permite um elevado momento de inércia, possibilitando ao robô manipular grandes massas, maximizar a aceleração e a desaceleração e manter a estabilidade, garantindo, em última análise, um ciclo de trabalho rápido.
Os robôs cartesianos são também muito utilizados em processos de selagem na montagem de células de bateria quadradas. A durabilidade e a fiabilidade são extremamente importantes para manter a produtividade. Os robôs cartesianos da Yamaha (Figura 2) incorporam resolvers para deteção de posição que não contêm componentes eletrónicos ou elementos óticos e, portanto, não são afetados pela gordura ou poeira de fábrica. Isto resulta numa fiabilidade excecional e precisão consistente. Além disso, as guias de contacto nos carris do robô cartesiano beneficiam de um design de dois pontos que minimiza o atrito e evita flutuações de alinhamento, mesmo quando se lida com cargas de elevado momento.
Figura 2. Os robôs cartesianos oferecem precisão e repetibilidade, combinando resistência mecânica com controlos robustos.
Embora os robôs de eixo único sejam frequentemente utilizados em fábricas de todos os tipos, para aplicações que exigem o transporte de artigos a alta velocidade, os módulos de transporte linear LCMR200 da Yamaha proporcionam um transporte local rápido, preciso e flexível entre processos e dentro das células de montagem (Figura 3). Nas fábricas de baterias, são frequentemente escolhidos para transportar conjuntos acabados para inspeção por raios X. Uma vez que os módulos LCMR200 podem ser ligados e coordenados com precisão, a instalação de um de cada lado da proteção na entrada da máquina de raios X transporta os conjuntos para o processo de inspeção e garante a segurança dos operadores próximos.
Figura 3. Os módulos de transporte LCMR200 proporcionam um transporte flexível de peças.
No geral, mais de 80% dos processos de fabrico das atuais baterias de lítio de alto desempenho são automatizados, utilizando uma combinação de automação fabril tradicional e robôs flexíveis e programáveis que trabalham em conjunto para maximizar a qualidade e a produtividade.
A Yamaha, com a sua vasta experiência na Ásia — incluindo a colaboração com os principais fabricantes de baterias e integradores de sistemas — está agora a aplicar a sua perícia para ajudar a expandir o fabrico de baterias de última geração na Europa.
Conclusão:
A escolha de robôs para automatizar certos aspetos da montagem de baterias permite aos fabricantes produzir baterias com as especificações mais exigentes e dentro de restrições de custos muito rigorosas. O suporte para montagem de alta velocidade e alta qualidade também oferece flexibilidade e escalabilidade. Os robôs com características únicas para melhorar a precisão e a durabilidade, e comprovados nas principais regiões de fabrico de baterias da atualidade, podem ajudar a garantir um fornecimento abundante de baterias acessíveis para satisfazer as crescentes exigências de diversos mercados em todo o mundo.
Artigo fornecido pela secção FA de robótica da Yamaha.
