微型環境中的電池單元制造：干燥室柔性自動化解決方案

從電動汽車到通信和醫療技術，再到智能工具與家用電器：當前工業領域對電池的需求與日俱增。然而超級工廠的生產方式卻消耗著驚人的能源。此外，大型產線還存在嚴重的靈活性缺陷。如今，卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) wbk 生產技術研究所成功驗證了一項頗具潛力的替代方案。解決方案：微型環境全流程封裝。其中的關鍵角色：KUKA 機器人。

未來電池單元生產的核心方向：高能效潔凈室和干燥室

在卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) wbk 生產技術研究所，前瞻性電池生產技術已觸手可及。為了使電池生產更加靈活高效，研究人員在 AgiloBat 項目框架下開發了一套鋰離子電池柔性制造系統：通過基于機器人的微型環境自動化技術，我們實現了以往僅在手工作坊中才能達到的生產靈活性。?

KR 4 AGILUS 正在卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) 某機器人工作站中運行。

通過可調節的工藝流程與程序變更，可在干燥室環境中生產各類異形電池，而無需繁瑣的設備改造。為此，研究人員開發了特殊的機器人工作單元，其結構和性能均屬全球首創。該工作單元由 Exentec Germany GmbH（Exyte Group 旗下企業）完成設計與建造。Exyte 是一家總部位于斯圖加特的國際化企業，專注于建筑技術與工廠工程領域。公司致力于為高科技產業設計、規劃并提供可持續及超凈制造設施，服務范圍涵蓋半導體與電池工廠、數據中心以及生物制藥設施等。Exentec 的核心業務重點之一正是潔凈室與干燥室?；蛘哂?Exentec 電池技術部門總監 Nicole Neub 的話來說：“我們負責為電池制造過程提供必需的干燥空氣環境?！?

微型環境中的全工序流程

眾所周知，電池生產過程中環境空氣的濕度必須嚴格控制在極低水平。更準確地說：為防止敏感電池材料在加工過程中發生氧化或吸潮現象，相對濕度通常需控制在 1% 以下。原因在于：若濕度超標，后續可能導致電池出現質量問題，甚至引發嚴重故障。

所需的干燥環境是在所謂的微型環境中實現的?！拔覀儗⒏鞯郎a工序及相關設備進行獨立封裝，并將過濾后的空氣直接輸送至工藝點?！盢icole Neub 解釋道?！斑@確保僅向設備供給潔凈干燥的空氣，而無需處理車間內未使用的冗余空間氣體?！痹趥鹘y電池量產中，通常將整個生產區域作為干燥室運行，這不僅超出單道工序的實際需求，更造成巨大的能源消耗。

極度干燥的空氣環境：全流程封裝技術使之成為可能

在 AgiloBat 項目中，這通過模塊化箱體實現，其內部露點溫度可低至 -50℃?！斑@與生產環境的溫度無關?！盇giloBat 項目技術負責人、卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) wbk 生產技術研究所的 Sebastian Henschel 解釋道。更準確地說，露點溫度是指空氣必須冷卻至使水分開始凝結的臨界溫度值。簡而言之：露點溫度越低，空氣越干燥。“當露點溫度達到 -50℃ 時，每百萬個空氣分子中水分子的含量不足 100 個。”Henschel 明確解釋道?！斑@意味著相對濕度遠低于 1%。”

通過采用 KUKA 機器人，我們實現了工業級精密制造 – 同時兼具以往僅在手工作業中才能達到的靈活性。

Sebastian Henschel，KIT AgiloBat 技術總監

得益于創新自動化技術，人員得以與生產流程完全隔離

其中，員工是一個關鍵因素：Henschel 表示：“人體 80% 由水分組成，在這樣的生產流程中這絕對是個不利因素?！薄凹幢阄覀兲幱谕耆o止狀態，每小時仍會呼出至少 120 克純水分?！盢icole Neub 補充道?！?strong>這樣的濕度水平會對維持穩定露點（例如 -50°C）造成顯著的負面影響。”這正是 Exentec 的創新理念：“我們的微型環境通過嚴格的工藝封閉設計，實現了人員與生產流程的徹底隔離。”Nicole Neub 解釋道。“當然，這只有在全自動化運行的情況下才能實現。”而這正是 KUKA 機器人大顯身手之處。

兩臺 KR SCARA 機器人和一臺 KR CYBERTECH nano 機器人在微型環境中以極高的效率與精度協同作業。

眾多成功的客戶項目印證了 KUKA 的卓越實力

在 AgiloBat 項目中，四臺 KR CYBERTECH nano、一臺 KR 4 AGILUS?以及兩臺用于電池堆疊的 KR SCARA?機器人協同作業 – 其卓越表現令項目負責人深感滿意。“多年來，電池制造商一直大批量采用 KUKA 機器人用于干燥室作業，這既減少了人員造成的環境污染，又提升了生產質量?！盞UKA 業務發展經理 Thomas Schmidberger 表示。KUKA 方面表示，公司長期與電池制造商保持技術交流，深入了解其對干燥室環境的技術要求?！拔覀兺ㄟ^眾多成功的客戶項目，對干燥室環境中的產品要求了如指掌，并持續攜手行業頂尖專家對這些技術要求進行深度分析。”Schmidberger 強調道。作為機器人行業的領軍企業，KUKA 正積極推進適用于干燥室環境的機器人專項認證。

由卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) 研發團隊開發的機器人工作單元是一項全球首創技術。

KUKA 機器人能夠應對干燥室的特殊挑戰

因為在干燥室中使用機器人會帶來特殊挑戰。例如，極低的空氣濕度可能導致設備磨損加劇。這種情況尤其適用于含增塑劑的材料，例如密封件或電纜接頭：若長期在干燥環境中使用，這些材料可能更快老化變脆，極端情況下甚至會發生斷裂。?

即便是潤滑脂也可能因水分流失而降低性能。特殊挑戰 – KUKA 早已運籌帷幄：自 2020 年以來，來自奧格斯堡的自動化專家已在電池制造領域部署超萬臺機器人，其中逾千臺應用于干燥室環境。客戶反饋始終好評如潮。

多年來，電池制造商一直采用 KUKA 機器人用于干燥室生產，這既能有效降低環境污染物，又可顯著提升產品質量。

KUKA 業務發展經理 Thomas Schmidberger

精準性與可重復性兼備靈活性

然而，采用自動化技術的微型環境生產方式不僅對電池制造具有重大意義，更在多行業領域展現出廣闊的應用前景：Exentec 公司的 Nicole Neub 表示：“這一技術在半導體領域至關重要，對于制藥行業也同樣如此?！边@正是 KUKA 廣泛產品系列的優勢所在：憑借其多功能性和靈活性，這些機器人能夠完美適配完全不同的領域、產品及生產環境。?

卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) 的項目也印證了這一點：“我們旨在打造一套極致靈活的生產系統，通過差異化生產模塊映射不同工藝步驟，再實施智能互聯。”AgiloBat 技術總監 Sebastian Henschel 解釋道?！霸诖诉^程中，KUKA 機器人展現出卓越性能。在他們的幫助下，我們實現了工業級的重復精度與準確性，更實現了媲美手工制造的靈活性?！?/span>

中小企業也能受益的優質生產方案

這些特性對中小企業尤其具有吸引力 – 這也正是 KIT 的 AgiloBat 團隊選擇與中型機械設備制造商開展合作的深層考量。通過微型環境與自動化技術的融合，這些企業得以構建干燥室生產場景中貫穿關鍵工藝鏈且具有競爭力的生產裝備體系?；?AgiloBat 的研究成果，企業既可實現電池柔性化生產，又能借助貼近工業量產的條件以微量材料試制新型材料體系?！拔覀兘^不能忽視的是，在電池制造的這些化學工藝步驟中會涉及一些高危物質的使用?！盩homas Schmidberger 強調道?！?strong>基于機器人的自動化技術與微型環境的結合運用，還能有效保障作業人員的健康安全?！?/p>

如同 KUKA 的所有產品一樣，KR CYBERTECH nano 機器人在 AgiloBat 項目中的表現也完全超出了研究人員的預期，完美滿足了各項技術要求。

通過采用微型環境并嚴格隔離人員與工藝流程，可顯著降低持續運營成本。

Exentec 公司電池技術總監 Nicole Neub

顯著降低運營成本與資源消耗

但更重要的是，通過 AgiloBat 采用的生產工藝可以大幅節約資源 – 主要體現在兩個方面：一方面，與傳統生產方式相比能耗顯著降低?！霸诔壒S中，僅維持干燥室環境就占全部能耗的 25% 至 40%。而我們卻要持續對抗每位進入干燥室的人員所帶來的濕度影響?！盢icole Neub 說道。“通過采用微型環境并嚴格隔離人員與工藝流程不僅能顯著降低這部分能耗比例，更能大幅減少運營成本（即 OPEX）?！?另一方面，不可用廢料也大幅減少：“即便是已調試完成的大型設備，其廢料率仍高達 15% 至 20%，這些材料只能丟棄或回收處理。”wbk 研究生的 Sebastian Henschel 算了一筆賬?！岸ㄟ^生產流程的柔性化改造，我們成功將這一比率大幅降低?！边@一切的實現，正是得益于 KUKA 機器人的技術支持！