Assemblage de cellules de batterie – numérique et sécurisé

Assemblage de cellules de batterie avec un support de pièce de travail intelligent pour la production numérisée. © Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez

La pièce maîtresse de chaque voiture électrique est la batterie. Elle doit être compacte, aussi puissante que possible – et surtout sûre. Cela pose de grands défis à la production. Ce à quoi pourrait ressembler cette production à l’avenir, est montré par des chercheurs du Fraunhofer IPA au Centre de production de cellules de batteries numérisées (ZDB).

Un système de batteries moderne associe plusieurs modules de batteries, dans lesquels une multitude de cellules de batteries sont intégrées. Selon le fabricant, ces cellules ont des formats différents. La ligne pilote du ZDB au Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA à Stuttgart est conçue pour des formats de cellules cylindriques.

À l’intérieur d’une cellule de batterie se trouvent les électrodes. Elles sont composées de fines feuilles revêtues, qui, avec un séparateur, sont enroulées en un rouleau appelé « Jelly Roll ». Un petit défaut ou une poussière qui pénètre à l’intérieur peut considérablement réduire la performance ou même provoquer un court-circuit et donc un incendie. C’est pourquoi, au Fraunhofer IPA, un laboratoire avec des conditions particulières de salle blanche et de salle sèche a été créé, soutenu par le financement du Land de Bade-Wurtemberg. Il est équipé d’une technologie permettant l’assemblage complet des cellules de batteries. La particularité est la digitalisation et la mise en réseau de toutes les étapes du processus. Cela donne aux chercheurs une ligne de fabrication unique en Europe, qui leur permet de soutenir à la fois les fabricants potentiels de cellules, ainsi que les constructeurs de machines et d’installations, dans le développement et l’automatisation des processus, ainsi que dans l’optimisation de l’assemblage en termes de fiabilité et de débit. La gamme va de l’analyse et de l’étude des étapes critiques du processus à l’application d’outils numériques, jusqu’à la construction de prototypes.

Surveillance du processus pour une solution optimale

Une dizaine d’étapes de travail sont nécessaires pour qu’une cellule soit prête à l’emploi, et chacune de ces étapes est décisive pour leur qualité et pour celle du système de batteries dans son ensemble. Tout commence par le revêtement de l’électrode positive et négative, qui est ensuite enroulée avec un séparateur en un rouleau, appelé « Jelly Roll ». Vient ensuite l’assemblage, ou « assemblage ». Pour cela, le Jelly Roll doit être guidé avec une précision extrême, de préférence sans toucher la paroi du contenant. Ensuite, par un électrode de tige introduite par le trou central du rouleau, le rouleau est soudé au fond du contenant. Pour éviter que le rouleau ne se déplace ou ne se détache, une rainure spécifique, de forme et de profondeur déterminées, est intégrée à un endroit précis, formant une dépression annulaire.

La étape suivante, le remplissage de l’électrolyte liquide, est particulièrement délicate et nécessite un environnement sans oxygène et avec une humidité aussi faible que possible. Les appareils nécessaires sont donc placés dans une boîte hermétique, appelée « Glovebox », dans laquelle on peut manipuler à l’extérieur avec des gants intégrés. « Lors du processus sous atmosphère d’argon, une quantité définie d’électrolyte liquide doit être remplie avec une précision extrême, sans déborder, car cela influence la performance et la durée de vie de la cellule », explique Matthias Burgard du Fraunhofer IPA. Cela est d’autant plus difficile que le liquide s’infiltre lentement, car les pores sont étroits.

Enfin, un élément de couvercle avec une force de fixation définie est inséré, fixé par déformation du bord du contenant, ce qui scelle la cellule. En raison de la fiabilité visée des processus, aucune électrolyte critique pour la sécurité ne doit se trouver à l’extérieur, mais la cellule montée est tout de même nettoyée avant d’être finalisée. Enfin, elle est enveloppée dans un manchon de protection et étiquetée.

Savoir issu de données de production convergentes dans le cloud – un nouveau savoir émerge

Pour minimiser les rebuts et améliorer la qualité, des chercheurs, notamment Florian Maier et Ozan Yesilyurt du Fraunhofer IPA, ont digitalisé et mis en réseau l’ensemble du processus de production. La production devient en quelque sorte transparente. Pour cela, de nombreux capteurs sur tous les appareils collectent des données, qui convergent en temps réel dans le cloud. Les technologies de traçabilité développées au Fraunhofer IPA permettent d’associer les données recueillies aux cellules de batteries produites. La grande innovation : chaque cellule de batterie fabriquée existe en tant que jumeau numérique, prêt pour l’analyse de données et l’entraînement d’une intelligence artificielle. Ainsi, il est possible de retracer dans quelles conditions elle a été fabriquée et comment elle se rapporte à la qualité du produit final. Des chercheurs comme Soumya Singh orchestrent ces données et les utilisent pour développer des services avec des capacités de surveillance, d’analyse et de prévision. Cela permet d’optimiser toujours davantage le processus de production et de corriger plus rapidement que jamais les sources d’erreur.

De plus, les données recueillies lors de la production aident également à élaborer de meilleurs modèles de prévision du comportement de vieillissement des cellules lors de leur utilisation, à évaluer d’autres utilisations possibles des batteries usagées, et à améliorer l’efficacité des procédés de recyclage. D’autres approches visant à digitaliser et à optimiser la production de batteries de manière axée sur les données sont actuellement rassemblées par les scientifiques impliqués dans le livre « Handbook on Smart Battery Cell Manufacturing ». Il devrait paraître cette année.