Gants en coton pour batteries

La pince spéciale STGG saisit et place l'anode sans contaminer la fine couche de graphite. (Image : J. Schmalz GmbH)

> Forte capacité d'aspiration avec une faible dépression : la pince spéciale STGG est également utilisée pour la manipulation de films séparateurs très fins. (Image : J. Schmalz GmbH)

La pince légère SLG avec des ventouses SFF manipule des cellules pouch. Les ventouses structurées empêchent un enfoncement des films de boîtier. (Image : J. Schmalz GmbH)

Les batteries cylindriques au lithium-ion sont principalement utilisées dans l'électronique de divertissement et les vélos électriques. Schmalz développe des effecteurs finaux individuels — en fonction du nombre, de la taille et de la disposition. (Image : J. Schmalz GmbH)

La pince à plaquettes FQE, équipée d'une génération de vide intégrée et économe en énergie, est utilisée pour la manipulation de pièces de boîtier de cellules et de modules de batteries. (Image : J. Schmalz GmbH)

Dr. Maik Fiedler, responsable des départements Automatisation sous vide et Manipulation sous vide chez J. Schmalz GmbH. (Image : J. Schmalz GmbH)

Ils sont graissés, laminés et coupés – le chemin semble difficile, que ce soit pour le cuivre et les feuilles d'aluminium, jusqu'à ce qu'ils remplissent leur rôle d'anode et de cathode dans une batterie. La manipulation doit être d'autant plus douce entre chaque étape de production – comment y parvenir ?

Déjà depuis 2009, le gouvernement soutient la mobilité électrique. Le développement et la fabrication de technologies de batteries sont également encouragés : l'économie et la politique travaillent à renforcer le savoir-faire en matière de développement et de production. La possibilité d'une production économique de cellules de batteries en Allemagne a été confirmée par le Dr. Michael Meister, secrétaire d'État parlementaire de la ministre fédérale de l'Éducation et de la Recherche, en 2021 lors du « Batterieforum Deutschland ». Des annonces de fabricants automobiles allemands concernant des coopérations, leurs propres laboratoires de recherche et leurs usines de test pour la production en série viennent confirmer cela. Outre leur utilisation dans les voitures électriques, les batteries sont également essentielles pour la vie quotidienne. De la perceuse sans fil aux vélos électriques en passant par le smartphone – l'énergie « à emporter » n'est plus évitable. La même importance est accordée à leur utilisation stationnaire, par exemple pour stocker l'énergie produite de manière renouvelable.

Chaque application impose ses propres exigences à la technologie de batterie. Mais pour la fabrication, l'utilisation ultérieure est secondaire – ici, une extrême précision et soin doivent être combinés à une production compétitive de cellules. Les petits assistants, qui permettent un transport doux des cathodes, anodes, séparateurs et cellules en pouch sensibles, sont indispensables : des pinces spéciales et des effecteurs de la société J. Schmalz GmbH.

De la poudre au pouch

Deux pâtes et deux feuilles métalliques constituent la base de chaque batterie de propulsion. Pour l'anode, une pâte de graphite est appliquée sur une feuille de cuivre. La cathode est composée d'une feuille d'aluminium sur laquelle une mélange d'oxydes métalliques de nickel, cobalt, manganèse et lithium est déposé. Les feuilles revêtues des deux côtés sont séchées, calandrées et découpées. Elles sont maintenant prêtes pour l'empilement. « Nous recommandons ici les pinces spéciales STGG, car elles manipulent les feuilles sensibles de manière très dynamique », explique le Dr. Maik Fiedler, responsable des divisions Automatisation sous vide et Manipulation sous vide. La STGG saisit alternativement l'anode, le séparateur, la cathode et à nouveau le séparateur, pour les empiler. La vitesse est aussi importante que la précision de positionnement. Le pinceur ne doit laisser aucune empreinte et ne doit pas contaminer la couche sensible. « Notre solution s'appelle PEEK », indique le Dr. Fiedler. Schmalz fabrique une plaque d'aspiration en polyétheréthercétone, très résistante chimiquement, avec de nombreux petits trous, qui saisit toute la surface. La surface plane minimise la pression de contact. La fonction de soufflage active du STGG accélère le processus de pick & place, tandis que le débit élevé de particules empêche la formation de résidus sur les électrodes. Une génération de vide pneumatique sans pièces mobiles rend le pinceur spécial compatible avec les environnements propres et stériles.

Le pinceur spécial STGG est également adapté pour le désempilage et la dépose des fines feuilles séparatrices. Les séparateurs sont généralement constitués de plastiques très poreux ou de feutres flexibles. Ils séparent spatialement l'anode de la cathode et empêchent un court-circuit. En même temps, ils sont perméables aux ions lithium positifs, qui circulent de l'anode vers la cathode lors de la décharge, puis migrent de nouveau lors de la charge. « Le STGG fonctionne avec un débit volumique élevé, ce qui lui permet de manipuler en toute sécurité même des matériaux poreux », explique le Dr. Fiedler. La surface conforme à la norme ESD évacue également de manière fiable la charge électrostatique, protégeant ainsi contre une adhérence indésirable.

Cellule par cellule

Une fois le empilement de cellules terminé, les fils conducteurs dépassants sont coupés, et le stack est placé dans une feuille de pouch. Scellée tout autour, la soi-disant cellule pouch est prête pour l'injection d'électrolyte. « Les cellules pouch sont sensibles et ne doivent en aucun cas être déformées par le pinceur. De plus, leur forme peut varier selon l'utilisation », explique le Dr. Fiedler. Pour chaque géométrie, le pinceur léger SLG est adapté. Schmalz le fabrique de manière additive, après que le client l'ait configuré en ligne, garantissant ainsi des délais de livraison courts. Pour éviter que la feuille composite en aluminium de la cellule pouch ne soit déformée lors de la prise, des aspirateurs structurés de la série SFF ou SFB1 sont utilisés. Les deux variantes combinent des surfaces de soutien en forme de nid d'abeilles sur la surface d'aspiration avec une lèvre d'étanchéité douce et particulièrement plate. Cela leur permet de saisir en douceur tout en exerçant une forte aspiration, sans déformer la surface de la cellule pouch.

Tout aussi important que le matériau, la géométrie et la taille du pinceur est le vide. La manière dont il est généré, ainsi que l'endroit, sont la clé pour une manipulation hautement dynamique et totalement sûre. « Nos générateurs de vide décentralisés de la série SCPM répondent à toutes ces exigences. Ils sont compacts et puissants en aspiration », indique le Dr. Fiedler. Ils sont si petits qu'ils peuvent être montés près du pinceur, minimisant ainsi les pertes de performance. La vanne du vérin compact se ferme lorsque l'alimentation électrique est coupée. Le pinceur maintient ainsi la cellule de batterie en toute sécurité, même en cas de coupure de courant. « Un autre avantage est que les utilisateurs peuvent intégrer des fonctions spécifiques dans le système, comme une génération de vide redondante ou une détection d'outils », ajoute le Dr. Fiedler.

Le système de manipulation approprié place chaque cellule dans un module, où elles sont connectées en série ou en parallèle. Plusieurs modules forment un pack de batteries, qui peut contenir moins ou plus de cellules pouch selon le fabricant et la catégorie de véhicule.

Rond plutôt que plat

L'avantage des cellules pouch est qu'elles ont une construction plate, ce qui leur permet de mieux dissiper la chaleur. Elles sont polyvalentes et utilisent de manière optimale le volume disponible dans un module de batterie. Leur inconvénient : leur enveloppe est sensible et ne protège pas les anodes, cathodes et séparateurs contre les influences mécaniques. De plus, elles peuvent gonfler avec le temps, par exemple en raison de processus de vieillissement. C'est pourquoi, dans certains véhicules électriques ainsi que dans l'électronique grand public, les vélos électriques et les outils, on utilise souvent des cellules cylindriques à boîtier rigide. « Pour la manipulation de cellules cylindriques lors de l'assemblage du module, nous devons proposer aux utilisateurs des pinces qu'ils peuvent configurer librement. Selon le diamètre de chaque cellule, leur disposition et le nombre à saisir », décrit le Dr. Maik Fiedler. « Grâce à l'impression 3D, cela est tout à fait réalisable dès la première série. » Si l'utilisateur choisit un aspirateur en matériau spécial HT1 sans empreinte, il peut saisir directement sur la polarité – le matériau sert également d'isolant. Ainsi, même les cellules chargées sont positionnées en toute sécurité. Ici aussi, un débit volumique élevé est essentiel pour un processus de pick & place rapide et propre. « Les générateurs de vide intégrés sont un atout. Les éjecteurs disposent d'une valve de sécurité qui maintient le vide même sans courant, garantissant ainsi la manipulation », ajoute le Dr. Fiedler. Si les cellules cylindriques doivent être saisies longitudinalement, Schmalz recommande le pinteur magnétique SGM en version haute performance. Un aimant permanent sécurise la manipulation. « Ils sont compacts, légers et offrent néanmoins une forte force de maintien », énumère le Dr. Fiedler. Ces pinces saisissent tant que l'enveloppe de la batterie est ferromagnétique.

Final – entièrement automatique ou manuel

Le processus est presque terminé : des feuilles sont devenues des cellules. Les cellules sont regroupées en modules, puis connectées en packs de batteries et complétées par des plaques de refroidissement, des câblages et de l’électronique. « La flexibilité est ici essentielle. Les géométries de stockage peuvent varier autant que les structures de surface », explique le Dr. Maik Fiedler. Même si les modules sont lourds, ils ne doivent pas être endommagés par le pinceur – le vide le garantit. Le pinceur à plaques FQE est modulaire et idéal pour des applications de pick & place entièrement automatisées. Le pinceur à plaques FMP est également très polyvalent. Sa mousse d’étanchéité s’adapte également aux surfaces structurées. Tous deux assurent, grâce à leur génération de vide intégrée et économe en énergie, de faibles coûts d’exploitation.

Pour les étapes de travail non automatisées, des aides manuelles telles que le levageur à vide JumboFlex soulage les opérateurs. Il peut s’agir des modules de refroidissement ou des plaques de couverture qui doivent être placées manuellement à la fin sur les boîtiers de batteries. La sécurité supplémentaire est assurée par l’unité de commande Safety+ : le concept à deux mains pour le dépose protège particulièrement les zones sensibles lors de la pose. La vitesse de descente peut également être réduite.

Le pack de batteries est maintenant prêt pour le contrôle de densité – le boîtier et le système de refroidissement doivent être exempts de fuites. Le système de gestion de la batterie reçoit le logiciel le plus récent, adapté au type de véhicule, et le premier cycle de charge/décharge en groupe est effectué sous surveillance stricte. Si le câblage et l’électronique sont en ordre et que le système de gestion de la batterie ainsi que toutes les sous-composantes fonctionnent correctement, c’est terminé. Après l’étiquetage avec des avertissements et des étiquettes d’identification, les batteries sont prêtes pour le transport. « Le chemin du poudreau au stockage d’énergie fini est long et complexe. Nous savons comment assurer la sécurité à chaque étape du processus et développons des solutions sur mesure pour nos clients », conclut le Dr. Maik Fiedler.