Concepts innovants pour une production de cellules de batterie durable et économique

Concept d'un pilote d'installation du Fraunhofer FFB en configuration en U en tant qu'environnement macro. © Fraunhofer FFB / Concept d'un pilote d'installation du Fraunhofer FFB en configuration en U en tant qu'environnement macro L'élan avec lequel la technologie de stockage d'énergie par batteries se développe en tant que l'une des approches les plus prometteuses pour substituer les combustibles fossiles est énorme. Cependant, afin que les cellules de batteries soient fabriquées de manière plus durable et économique à long terme, des potentiels d'économies supplémentaires et des stratégies d'efficacité sont nécessaires dans le processus de fabrication, sans négliger les normes des environnements de fabrication. Actuellement, jusqu'à 50 pour cent des émissions de gaz à effet de serre en Allemagne résultent de l'électricité nécessaire à la production de cellules de batteries, dont jusqu'à 43 pour cent de la demande énergétique est attribuable à l'environnement de fabrication et au fonctionnement des salles blanches et sèches. Le livre blanc des chercheurs de Münster décrit .© Fraunhofer FFB

Pour la transition vers une mobilité durable, des cellules de batterie performantes sont une condition essentielle. Il est fondamental de créer une infrastructure de production des cellules plus économe en énergie et en ressources. Des chercheurs de l'institut Fraunhofer Forschungsfertigung Batteriezelle FFB proposent désormais des solutions pour réduire les coûts énergétiques et opérationnels dans la fabrication des cellules de batterie grâce à l'utilisation de ce que l'on appelle des « Mini- et Macro-Environnements », permettant ainsi de créer un potentiel élevé pour une production de batteries compétitive en Allemagne et en Europe. Les résultats sont résumés dans le nouveau livre blanc « Concepts d'installation économes en énergie et orientés qualité pour la fabrication de cellules de batterie », qui est désormais disponible.

La dynamique avec laquelle la technologie des batteries de stockage évolue en tant que l'une des approches les plus prometteuses pour substituer les énergies fossiles est énorme. Cependant, pour que les cellules de batterie soient fabriquées de manière plus durable et économique à long terme, il est nécessaire d'intégrer dans le processus de fabrication des potentiels d'économie supplémentaires et des stratégies d'efficacité, sans compromettre les standards des environnements de production. Actuellement, jusqu'à 50 % des émissions de gaz à effet de serre en Allemagne proviennent de la consommation électrique nécessaire à la production de cellules de batterie, dont jusqu'à 43 % de la consommation d'énergie est liée à l'environnement de fabrication ainsi qu'à l'exploitation des salles blanches et salles sèches. Le livre blanc des chercheurs de Münster décrit comment, grâce à diverses concepts innovants d'environnement, un potentiel d'économie économique et environnementale peut être réalisé à l'avenir dans la fabrication des cellules de batterie, et montre également la mise en œuvre pratique du concept à Fraunhofer FFB.

Défis dans la fabrication des cellules de batterie

Dans leur domaine d'application, la batterie lithium-ion (LIB) est considérée comme la variante la plus avancée : systèmes de stockage d'énergie stationnaires, électronique grand public, mais surtout l'électrification de la mobilité représente la majorité de la demande totale attendue. Elle est le moteur de la demande croissante annuelle de LIB en gigawattheures. Les exigences croissantes en matière de durabilité et de performance de la batterie, telles qu'une densité d'énergie plus élevée pour augmenter l'autonomie des véhicules électriques, nécessitent également de nouveaux matériaux de cellules. En vue d'une fabrication fluide, de haute qualité et sûre des cellules de batterie, celles-ci imposent cependant des exigences strictes en matière de propreté et de sécheresse.

Les salles blanches et salles sèches, c'est-à-dire des environnements hermétiquement clos, remplissent ces exigences. Elles disposent d'un climat intérieur sec et d'une humidité très faible, avec un point de rosée de moins 60 degrés – la température à laquelle la condensation de l'humidité de l'air commence. Pour que l'air soit plus sec que dans le désert, des efforts énergétiques considérables sont nécessaires pour traiter l'air très sec.

Potentiel des nouveaux concepts d'environnement dans la fabrication des cellules de batterie

Pour l'environnement de fabrication, Fraunhofer FFB développe, met en œuvre et étudie des concepts d'enveloppe proches du processus et des machines dans la production, qui devraient à l'avenir remplacer les salles blanches et salles sèches énergivores et représenter des alternatives beaucoup plus économiques et durables.

– »Les Mini-Environnements sont des unités de fabrication et de transport limitées et séparées, qui encapsulent le processus à valeur ajoutée ainsi que le produit. L'utilisation de « Mini-Environnements » est encore limitée à l'échelle du laboratoire ou du pilote.«
– »Les Macro-Environnements relient et combinent des zones de fabrication limitées et séparées, qui peuvent inclure la manipulation, la logistique ainsi que les unités de machines et de fabrication.«

À ce sujet, Marius Heller, collaborateur scientifique du groupe de recherche « Assemblage et Formation » chez Fraunhofer FFB, déclare : « L'utilisation de « Mini-Environnements » dans la fabrication des cellules de batterie peut améliorer des paramètres clés. Cela inclut des coûts d'exploitation et d'énergie nettement inférieurs ainsi que la protection des employés contre des substances potentiellement dangereuses. À l'avenir, pour l'industrie, la transition vers des concepts d'environnement pourrait permettre de réussir la transition vers une fabrication écologique et économique de cellules en Europe. »

Mise en œuvre et essais dans les lignes de production de Fraunhofer FFB

Les fabricants d'équipements devront à l'avenir concevoir une technologie d'installation efficace et efficiente. Fraunhofer FFB établira dans ses usines flexibles et adaptables, « FFB PreFab » et « FFB Fab », une référence pour une technologie d'installation orientée qualité et économe en énergie par rapport à l'état actuel de la technique, contribuant ainsi de manière significative au transfert de solutions avancées dans l'industrie des batteries. À cette fin, notamment, les salles blanches et salles sèches environnantes seront utilisées pour tester et quantifier les technologies de processus et de production. Parallèlement, l'expérimentation progressive des concepts d'environnement sera menée.

Hasibe Turhan, collaboratrice scientifique du groupe de recherche « Assemblage et Formation » chez Fraunhofer FFB, déclare : « Nous attendons un développement similaire dans la fabrication des cellules de batterie à celui qu'a connu la fabrication de semi-conducteurs il y a déjà 30 ans : grâce à l'encapsulation proche du processus, il est possible de réaliser des flux d'air ciblés et d'atteindre une haute qualité de produit. Au total, l'ensemble du processus environnemental sera optimisé. »

Sur la base d'observations du marché et de discussions avec l'industrie, Fraunhofer FFB prévoit la percée des « Mini-Environnements » du stade pilote au stade de la série à partir de 2027.

Le livre blanc « Concepts d'installation économes en énergie et orientés qualité pour la fabrication de cellules de batterie » est dès à présent disponible en téléchargement gratuit.