در داخل کارخانه کوچکی که جنرال موتورز آینده خودروهای برقی خود را می سازد

اگر در حال رانندگی در محوطه پردیس جنرال موتورز در وارن، میشیگان هستید، احتمالاً دو ساختمان سفید مجاور و ناشناس را که در قسمت بالایی فضای 710 هکتاری قرار گرفته اند، نادیده خواهید گرفت. در داخل این ساختمان ها که مجموعاً نیم میلیون فوت مربع مساحت دارند، یک پروژه ساختمانی عظیم وجود دارد که هنوز در حال انجام است. پس از تکمیل، محل قرارگیری […]

اگر در پردیس وسیع جنرال موتورز در وارن، میشیگان رانندگی می‌کنید، احتمالاً دو ساختمان سفید مجاور و ناشناس را که در قسمت بالای فضای ۷۱۰ هکتاری قرار گرفته‌اند، نادیده خواهید گرفت.

در داخل این ساختمان ها، که مجموعاً نیم میلیون فوت مربع مساحت دارند، یک پروژه ساختمانی عظیم وجود دارد که هنوز در حال انجام است. پس از تکمیل، مرکز توسعه سلول باتری جدید جنرال موتورز را در خود جای خواهد داد، جایی که این خودروساز به شدت در حال ساخت سلول‌های نمونه اولیه جدید با هدف کاهش هزینه‌های خودروهای الکتریکی خود است.

جنرال موتورز باید سریع‌تر و ارزان‌تر بسازد تا به هدف خود یعنی فروش خودروهای برقی مقرون‌به‌صرفه در حجم‌های بسیار بالاتر دست یابد. این خودروهای الکتریکی نه تنها باید با رهبر قدیمی فروش تسلا، بلکه با سیل خودروهای برقی چینی که دیر یا زود در ایالات متحده فرود خواهند آمد، رقابت کنند. و در حالی که به نظر می رسد فروش خودروهای برقی در ایالات متحده در حال کاهش است، آمریکا راه درازی در پیش دارد تا بتواند به طور قابل اعتمادی با چین، بازار پیشرو EV در جهان، رقابت کند.

با افزایش 40 درصدی قیمت بنزین در سال جاری در نتیجه جنگ در ایران، تعداد خریداران علاقه‌مند به خودروهای برقی جدید و کارکرده افزایش یافت - اما بیشتر در مدل‌هایی با قیمت کمتر از میانگین قیمت 50000 دلاری یک خودروی جدید امروزی. در حالی که جنرال موتورز پس از تسلا، بیش از هر شرکت دیگری خودروهای برقی را در ایالات متحده می فروشد، اما بیشتر خط تولید آن به لطف بسته باتری که 30 تا 40 درصد از کل هزینه را تشکیل می دهد، همچنان بسیار گران است.

در طی یک تور اوایل سپتامبر، پس از گذاشتن یک کلاه سخت، عینک ایمنی و یک جلیقه‌ی محافظ، از نزدیک ابزارهایی را دیدم که جنرال موتورز برای ساختن آن‌ها استفاده خواهد کرد.باتری‌های جدیدتر و ارزان‌تر: خمره‌های بزرگ برای مخلوط کردن دوغاب سلولی، ماشین‌های پوششی که مواد الکترود را روی فیلم می‌گذارند و ماشین‌هایی برای ده‌ها مرحله دیگر در فرآیند تبدیل مواد معدنی به سلول‌هایی که انرژی را نگه می‌دارند و تحویل می‌دهند. کارخانه ای که من گشتم یک کارخانه کم حجم خواهد بود که به مهندسان اجازه می دهد تا نمونه اولیه تولید با حجم بالاتر را از کارخانه های غول پیکر میلیارد دلاری تهیه کنند.

تأسیسات جدید نشان می‌دهد که جنرال موتورز در حال انجام یک بازی طولانی است و برای توسعه سلول‌های جدیدی کار می‌کند که کمتر یا هیچ‌کدام از مواد معدنی تحت کنترل چین در سطح جهان را استفاده نمی‌کنند. اگرچه دانشمندان آمریکایی تحقیق و توسعه اصلی را بر روی اکثر مواد شیمیایی سلولی جدید توسعه دادند، شرکت‌های آسیایی کسانی بودند که این مواد شیمیایی را توسعه، پالایش و به تولید حجم دادند.

تلاش 15 ساله چین که کنترل جهانی عرضه و فرآوری مواد معدنی مورد استفاده در سلول های امروزی، به ویژه کبالت، نیکل و خاک های کمیاب را به این کشور داد، به این معنی است که سلول های آینده باید از مواد معدنی مختلف برای فرار از سلطه کشور استفاده کنند. یک مثال: سلول‌های جدید LMR یا غنی از لیتیوم منگنز GM از کبالت یا نیکل بسیار کمی استفاده می‌کنند. دوم: در بهار امسال GM اعلام کرد که با استارتاپ Peak Energy روی سلول‌های یون سدیم برای ذخیره انرژی کار می‌کند.

خروج چنین مواد شیمیایی جدید از آزمایشگاه و تولید حجمی می تواند یک دهه یا بیشتر طول بکشد. اما جنرال موتورز آنقدر فرصت ندارد. چین ممکن است تا آن زمان خودروهای برقی خود را به آمریکایی ها بفروشد. مهندسان باتری این شرکت اطمینان دارند که با استفاده از امکانات جدید در داخل آن ساختمان های ناشناس در 15 مایلی شمال دیترویتمی تواند شیمی سلولی و قالب های جدیدی را برای خودروهای برقی و سیستم های ذخیره انرژی باتری در زمان کمتری از پیش بینی راه اندازی کند. آینده این شرکت به موفقیت آن بستگی دارد.

[تصویر: یک مهندس یک سیستم پرس رول را در مرکز توسعه سلول باتری جدید GM بازرسی می کند.

در ماه ژوئن، کرت کلتی، پادشاه باتری جنرال موتورز به من گفت که مرکز جدید توسعه سلول باتری، یا BCDC، با ترکیب مدل‌سازی مجازی، قابلیت‌های آزمایش فیزیکی و خطوط تولید در مقیاس کوچک، «پل حیاتی از آزمایشگاه تحقیق و توسعه به تولید» را فراهم خواهد کرد. هدف پر کردن حلقه مفقوده بین ایجاد و نمونه سازی سلول های جدید و وارد کردن آنها به تولید با حجم بالا است.

Mo Gallegos رئیس BCDC کل هزینه را 900 میلیون دلار عنوان می کند. در حداکثر تولید، BCDC ممکن است 4 تا 5 گیگاوات ساعت سلول تولید کند. اما هدف کمیت نیست؛ با کیفیت است

در داخل آزمایشگاه 500000 فوت مربعی، بسیاری از ماشین آلات مورد نیاز برای ساخت یک سلول را دیدم، از مخلوط کردن دوغاب برای پوششی که یک الکترود سلولی را تشکیل می‌دهد تا سخت‌افزار شارژی که برای اولین بار یک سلول تمام شده را انرژی می‌دهد. کارخانه کوچک برای شیمی سلولی چندگانه و فرمت های مختلف استفاده خواهد شد که از سلول های منشوری شروع می شود. هدف آن آزمایش فرآیندهای تولید سلول های صنعتی، اثبات و بهینه سازی تکنیک ها و دستور العمل های تولید قبل از اجرای در مقیاس است.

در حالی که BCDC کار واقعی را تولید خواهد کردسلول‌ها، این کار را در حجم‌های بسیار پایین‌تر و با سرعت کمتری نسبت به خطوط تولید در کارخانه‌های سلولی در مقیاس کامل انجام می‌دهد. سپس توسعه دهندگان باتری جنرال موتورز دانش به دست آمده از این آزمایش فرآیند را به شرکای تولید سلولی خود منتقل می کنند تا طرح های جدید را به حجم کامل برسانند.

اینها احتمالاً شامل دو کارخانه تحت مدیریت Ultium Cells LLC، سرمایه گذاری مشترک تولید سلول بین جنرال موتورز و شریک سلولی آن، LG Energy Solution هستند. اولین کارخانه در وارن، اوهایو، در سال 2022 افتتاح شد و سلول‌های کیسه‌ای نیکل، منگنز، کبالت و آلومینیوم با فرمت بزرگ را برای خط خودروهای الکتریکی جنرال موتورز (به استثنای بولت 2027) می‌سازد. دومی، در اسپرینگ هیلز، تنسی، در اوایل سال 2024 افتتاح شد و اکنون سلول های فسفات لیتیوم یونی را برای ذخیره انرژی باتری تولید می کند.

از دو ساختمان BCDC، اولین ساختمان آند و کاتد را در دو طرف مقابل، با مونتاژ الکترود در وسط قرار داده است. یک پل، رول‌های فیلم الکترود را به ساختمان دوم منتقل می‌کند، جایی که سلول‌ها مونتاژ می‌شوند، شارژ می‌شوند و به مدت ۸ تا ۱۱ روز آزمایش می‌شوند. طبقه دوم حاوی فلزات، فیلم ها و اجزای مورد نیاز و همچنین مجموعه بسیار قابل توجهی از تجهیزات HVAC برای استریل، عاری از گرد و غبار و در دمای مناسب فرآیندها است.

BCDC قرار است اولین سلول های آزمایشی خود - سلول های منشوری LMR - را در سه ماهه چهارم سال جاری تولید کند. اما آنها تا سال 2028 به تولید حجمی در کارخانه Ultium در اسپرینگ هیل نخواهند رسید. پس از انجام آزمایشات برای سلول های LMR، یون سدیم اضافه خواهد شد.سلول های منشوری برای BESS با استارتاپ Peak Energy در حال توسعه است.

[تصویر: نمای نزدیک از مواد باتری فویل قبل از اینکه در فرآیند مونتاژ سلولی گنجانده شود.

مشکلی که BCDC قرار است حل کند شکاف بین ایجاد ترکیبات شیمیایی سلولی جدید در مقیاس کوچک و تولید آنها در مقادیر انبوه در صدها هزار یا میلیون است. بردن آنها از طریق توسعه تا تجاری سازی به معنای درک چگونگی ساخت آنهاست. که نیازمند آزمایش فرآیندها و روش های تولید برای اطمینان از کیفیت سلول های نهایی و همچنین کمیت آنها است.

شما می توانید به عرضه یک سلول در چهار مرحله فکر کنید: ایجاد یک شیمی جدید، آزمایش نمونه های اولیه، کشف نحوه ساخت آن، و سپس افزایش حجم تولید.

فاز اول برای چندین دهه در آزمایشگاه تحقیق و توسعه Kettering GM متمرکز شده است. این شرکت شیمی و سلول‌های جدیدی را برای پیشگام EV1، شورولت ولت 2011، و شیمی LMR که شرکت قصد دارد در سال 2028 راه‌اندازی کند، ایجاد و آزمایش کرد. اما به اثبات یک سلول در یک زمان، در قالب‌های «سکه‌ای» یا کیسه‌ای کوچک محدود می‌شود.

جنرال موتورز فاز دوم را زمانی که مرکز نوآوری سلول باتری والاس خود را در سال 2023 افتتاح کرد، وارد کرد. والاس می تواند این سلول های جدید را در دسته های کوچک بسازدده، آزمایش می کند که آیا یک شیمی جدید به عملکرد خود ادامه می دهد و در سلول های مشابه سلول هایی که در محصولات نهایی استفاده می شود، عملی می ماند یا خیر.

اکنون، مرحله سوم به BCDC، درست در مجاورت والاس، رسیده است. از ماشین‌آلات ساخت سلولی و مونتاژ باتری در دنیای واقعی برای ساخت هزاران سلول در روز استفاده می‌کند - به طور ایده‌آل تضمین می‌کند که افزایش نهایی در یک کارخانه بزرگ‌تر به آرامی پیش می‌رود. و با دو برابر فضای کف ساخته شده است که در ابتدا برای گسترش آینده، شیمی های متعدد و قالب های سلولی متعدد استفاده شده است.

از لحاظ تاریخی، آن فازهای دوم و سوم توسط سازندگان باتری انجام می شد. آنها حلقه مفقوده بین شیمی جدید و تولید حجمی بودند - تقریباً همیشه در خارج از کشور انجام می شد. والاس و BCDC با هم تقریباً 1 میلیون فوت مربع فضای توسعه باتری را به جنرال موتورز می دهند. (GM از مشخص کردن تعداد کارمندان در هر یک از این مراکز خودداری کرد و گفت که این کار متفاوت است.)

فاز چهارم و آخر، تولید تجاری در مقیاس است، چه در سلول های Ultium یا سایر کارخانه های با حجم بالا.

برای مقایسه مقیاس هر فاز، Kettering R&D ممکن است 1 لیتر دوغاب تولید کند که با آن فیلم الکترود را برای آزمایش سلول‌های جداگانه بپوشاند. آزمایشگاه والاس آن را به 40 لیتر در یک زمان می رساند. اکنون، BCDC قادر خواهد بود 1500 تا 2000 لیتر را در یک زمان واحد تولید کند - در حالی که کارخانه های سلولی با حجم بالا چندین نسخه مشابه از این فرآیند را در یک زمان یا دو مرتبه بیشتر اجرا می کنند.

[تصویر: یک مهندس جنرال موتورز تجهیزاتی را که باتری می دهد بازرسی می کندتوسعه دهندگان روشی عملی برای مطالعه و اصلاح نحوه کار مواد قبل از تولید سلولی در مقیاس کامل هستند.

قبل از شروع ساخت فیزیکی، مهندسان سلول از مجازی سازی در طول فرآیند استفاده می کنند. رادو تیونی، مدیر مهندسی مجازی GM برای نیروی محرکه جهانی، گفت: چابکی در توسعه و اصلاح سریع طرح‌های جدید ناشی از استفاده از «دوقلوهای دیجیتال» برای شبیه‌سازی فرآیندها قبل از ورود سخت‌افزار تولید به فرآیند است. در دنیای خودرو، یک مثال شناخته شده استفاده از نرم افزار CAD برای مدل سازی طرح های سازه ای و واکنش های تصادف است. در طول دهه‌ها، شبیه‌سازی‌ها به خودروسازان اجازه می‌دهد تا مهندسی خود را سرعت بخشند و تعداد خودروهای نمونه اولیه پرهزینه‌ای را که برای تایید ایمنی خود ناگزیر باید تصادف کنند، کاهش دهند.

به طور مشابه، از رفتار درونی شیمی سلولی جدید گرفته تا مراحل ساخت هر جزء – مثلاً اینکه چگونه مولکول‌ها به طور کامل در یک «میکسر سیاره‌ای دوگانه با برش بالا» برای تولید دوغاب ترکیب می‌شوند – زمان صرفه‌جویی شده از طریق مدل‌سازی می‌تواند هفته‌ها و ماه‌ها از جدول زمانی برای رسیدن یک سلول جدید به بازار از آزمایشگاه به بازار بکاهد.

اخیراً، جنرال موتورز در انواع مدل‌های مجازی‌سازی مختلف به شدت بر هوش مصنوعی تکیه کرده است. آنها با توجه به گنجینه عظیم 10 سال داده باتری قبلی خود، گفت که مدل های زبان بزرگ آن اکنون نتایج ده ها تغییر شیمیایی جزئی و تغییرات فرآیند را بسیار سریعتر از آن پیش بینی می کنند.هر نمونه سازی و آزمایش فیزیکی می تواند. او گفت که این نتایج زمانی که به نمونه‌سازی در دنیای واقعی منتقل می‌شوند، بسیار دقیق هستند.

در سطح شیمی، این شبیه‌سازی به جنرال موتورز اجازه می‌دهد «چه اتفاقی می‌افتد اگر سیلیکون بیشتری اضافه کنیم، چه اتفاقی می‌افتد اگر محتوای کبالت را کاهش دهید» مدل کند. کلتی افزود: «ما می‌توانیم در چند روز آینده چیزی را شبیه‌سازی کنیم. این به شرکت اجازه می دهد فرآیندهای تولید را در صورت نیاز تغییر دهد، سپس دوباره مدل سازی کند. اگر توسط یک سازنده سلول در خارج از کشور انجام شود، این فرآیند ممکن است ماه ها طول بکشد.

به گفته آنها، مدل سازی فشرده اختلاط مولکول در مخلوط کن های دوغاب به GM اجازه می دهد تا زمان اختلاط را برخلاف روش توصیه شده در صنعت به نصف کاهش دهد، بدون اینکه تاثیری بر کیفیت یا عملکرد سلولی داشته باشد. به‌طور کلی، آنها گفت، این شرکت انتظار دارد که یک سلول را در «تقریباً نیمی از زمان» از طریق فرآیند انتها به انتها بگذراند - اگرچه جنرال موتورز از تعیین کمیت جدول‌های زمانی خودداری کرد یا تعداد زمانی را که صرفه‌جویی کرد را تعیین نکرد. پیش از این، Kelty پیشنهاد کرده بود که می‌تواند به GM اجازه دهد تا یک سال از توسعه شیمی سلولی جدید امیدوارکننده جلوگیری کند.

مدل‌سازی هر سطحی از توسعه خودرو را در بر می‌گیرد: یک دوقلو دیجیتالی از کل EV. یکی برای بسته باتری؛ یکی برای سلول های داخل. یک دوقلو دیجیتالی از الکترود که رفتار ذرات روی الکترودها را در حین تخلیه و شارژ مجدد سلول مدل می کند. و در نهایت یک دوقلو در سطح اتمی برای مدل سازی انتشار لیتیوم از طریق الکترودها و الکترولیت.

روش ها به راحتی و به سادگی در بین شیمی ها منتقل می شوند. برای سلول های باتری، "اتمیکلتی گفت که مدل‌سازی یک شیمی آگنوستیک است. برای رفتن از NMCA به سلول‌های یون سدیم، ما فقط اتم‌های مدل را تغییر می‌دهیم. هییونی افزود: «معادلات هسته مکانیک کوانتومی به خوبی شناخته شده است.

[تصویر: مو گالگوس، رئیس مرکز توسعه سلول باتری جدید جنرال موتورز، با ماشین‌آلاتی که به مهندسانش اجازه می‌دهد تا نمونه اولیه تولید سلول‌های جدید را قبل از انتقال فرآیند به کارخانه‌های بزرگ تولید کنند.

شبیه‌سازی رفتار سلول در سطح اتم به اتم، حتی قبل از شبیه‌سازی کل فرآیند تولید برای ساخت سلول در حجم، قدرت محاسباتی زیادی را می‌طلبد. در طول تور ما، گالگوس خاطرنشان کرد که مجموعه توسعه باتری بیش از هر بخش دیگری از پردیس گسترده وارن انرژی می‌گیرد.

اما این شرکت مدت‌هاست که محاسبات فشرده‌ای را انجام داده است، که بسیار قبل از دوران مدرن خودروهای الکتریکی شروع شده است. بلافاصله پس از اجرایی شدن اولین مقررات انتشار گازهای گلخانه ای در نیم قرن پیش، جنرال موتورز شروع به استفاده از رایانه برای مدل سازی فازهای احتراق بنزین در موتورهای خود کرد. با گذشت زمان، همانطور که موتورها چندین سوپاپ، بادامک‌های متعدد، زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها، تزریق مستقیم، توربوشارژرها و مجموعه‌ای رو به رشد سخت‌افزار را برای کارآمدتر کردن فرآیند احتراق ذاتاً بیهوده به دست آوردند، آنها به مدل‌های کامپیوتری دائماً قدرتمندتر تکیه کردند. یک مثال خاص ممکن است مدل سازی تشکیل ذرات دوده در احتراق گازوئیل باشد - و چگونهآنها را کاهش دهد.

به گفته آنهایونی، این تجربه و قدرت محاسباتی موجود به شرکت اجازه می‌دهد «ارزش زیادی را باز کند» زیرا «استفاده از این ابزارهای چندفیزیکی و بسیار دقیق در بسیاری از حوزه‌های مختلف که احتمالاً قبلاً هرگز استفاده نشده‌اند، راحت بود».

در طول این تور، حیونی گفت که قدرت محاسباتی این شرکت پس از آزمایشگاه‌های ملی این کشور در ایالات متحده در رتبه دوم قرار دارد. هییونی افزود: «سرعت رشد در مدل‌سازی اتمی سریع است»، و نشان می‌دهد که در شش ماه گذشته قابلیت‌های هوش مصنوعی این شرکت به طور قابل توجهی گسترش یافته است.

سمت موتور احتراقی خانه اکنون به شدت هوش مصنوعی را به جعبه ابزار خود اضافه می کند، اگرچه به نظر می رسد مدل سازهای سلولی احساس می کنند هنوز از منحنی جلوتر هستند. به گفته آنها، مدل‌سازی اتمی و فرآیندی که در سلول‌های LMR در حال توسعه انجام می‌شود، به سه برابر ظرفیت محاسباتی نیاز دارد که مدل‌سازی فرآیندهای احتراق برای یک موتور بنزینی انجام می‌دهد.

Kelty به وضوح از امکانات این ابزارهای مدل سازی و شبیه سازی جدید مبتنی بر هوش مصنوعی انرژی می گیرد. او گفت که در طولانی مدت، "ما می خواهیم از آزمایش خلاص شویم" - یا حداقل آزمایش فیزیکی سلول های نمونه اولیه و روش های تولید آنها را تا حد زیادی کاهش دهیم. آزمایش فیزیکی کمتر برای توسعه و اصلاح سلول‌های جدید به GM چابکی بیشتری برای پاسخ به داده‌های آزمایشی در دنیای واقعی می‌دهد. کلتی پیشنهاد کرد که هدف نهایی این است که سیستم تحقیق و توسعه خود را تا حدی انجام دهد که مدل‌های هوش مصنوعی آن بتوانند به تنهایی یک شیمی سلولی جدید را سنتز کنند. اما آنها آنجا نیستندبا این حال، او گفت.