La fabrication de cellules de batteries impose des exigences élevées en matière de salle blanche

Incursion dans les limites de la physique : la fabrication d'une nouvelle génération de batteries pour voitures électriques ne permet qu'une humidité relative maximale de 2 pour cent

Depuis une vingtaine d'années, les véhicules électriques sont désormais sur le marché. Le fait qu'ils ne se soient pas encore largement imposés, malgré leur efficacité énergétique et leur respect de l'environnement, est principalement dû à leur autonomie limitée : dans les batteries actuellement disponibles, seule une quantité relativement faible d'énergie peut être stockée et transportée. Pour permettre aux voitures électriques de parcourir également de plus longues distances, les cellules d'énergie doivent donc devenir plus légères et plus durables. Volkswagen et Varta Microbattery ont donc créé une société de recherche commune afin d'étudier et d'augmenter la performance des batteries lithium-ion pour une utilisation dans les véhicules. Cependant, la fabrication de ces cellules de batteries sensibles impose également des exigences élevées quant à l'environnement de production. Le constructeur de systèmes Nerling a dû repousser les limites du physiquement possible et développer une salle blanche avec une humidité constante maximale de 2 pour cent.

?Habituellement, l'humidité relative pour les salles blanches se situe entre 40 et 60 pour cent, ce qui correspond à une zone de confort pour l'humain?, explique Olaf Nerling, directeur général de Nerling Systemräume GmbH. Dans le secteur automobile, une valeur de 35 pour cent est déjà exigée pour éliminer le risque de rouille par l'humidité de l'air. Lors de la manipulation de substances finement moulues dans l'industrie pharmaceutique, l'humidité relative doit même être limitée à 10 pour cent. ?Les exigences actuelles les plus strictes proviennent toutefois du domaine de l'électronique?, rapporte Nerling. ?Dans le cas de la fabrication de cellules de batteries lithium-ion par la société de recherche Volkswagen Varta Microbattery mbH & Co KG, une humidité relative maximale de 2 pour cent est requise, ce qui correspond à une sécheresse extrême.?

Humidité lors de la fabrication dégradant la performance des batteries

Le but de la coopération entre Volkswagen et Varta Microbattery est d'améliorer la fiabilité, la durabilité et la densité énergétique des batteries pour véhicules électriques en développant leurs propres cellules lithium-ion. ?Notre vision est de rendre l'Allemagne, grâce à la mise en commun de nombreuses innovations, notamment petites, compétitive au niveau international en tant que site de production, surtout face au marché asiatique?, déclare le Prof. Dr. Werner Schreiber, directeur général de la société de recherche Volkswagen Varta Microbattery mbH & Co. KG.

Lors de la production de telles cellules de batteries, les matières premières utilisées sont exposées aux influences de l'environnement. ?Les pâtes pour les électrodes sont appliquées sur des films métalliques, puis séchées, calandrés et découpées?, explique Schreiber. ?Ces films d'électrodes sont ensuite enroulés avec un séparateur. L'enroulement de l'électrode constitue alors le noyau de la cellule de batterie.? Si les produits chimiques sont exposés à l'humidité lors du traitement dans la calandre, leurs propriétés changent. ?La salle de production doit donc être extrêmement sèche, sinon la qualité et la fiabilité de la cellule de batterie en pâtira?, indique Schreiber. ?De plus, la durée de vie de la batterie se réduit si elle a été exposée à une humidité ambiante trop élevée lors du processus de fabrication.?
Secours par séchage par adsorption, une nouvelle technique en technologie climatique

Comme la technologie climatique conventionnelle ne permet pas d'atteindre une humidité aussi basse que 2 pour cent, Nerling a utilisé, en collaboration avec un partenaire, la technique encore relativement nouvelle de séchage par adsorption. La déshumidification se fait ici via un rotor composé d'une structure en fibre de verre ondulée contenant du gel de silice comme sorbant. ?L'air du processus est soufflé à travers le rotor pour le déshumidifier, il cède son humidité au sorbant et circule ensuite comme air sec dans la salle blanche?, explique le directeur général. ?En faisant tourner le rotor, de l'air chaud est introduit dans une zone séparée, ce qui élimine l'humidité accumulée du rotor et la rejette dans l'air extérieur.?

Un autre défi pour la déshumidification permanente de l'air a été la détermination précise du taux d'humidité. ?Nous touchons ici aux limites du physiquement possible?, indique Nerling. ?Les capteurs classiques ne peuvent plus détecter des valeurs aussi faibles que 2 pour cent d'humidité relative ou moins.? Les capteurs d'humidité doivent donc pouvoir détecter des molécules d'eau individuelles. C'est pourquoi une autre technique de mesure a été adoptée : l'humidité dans la salle blanche est désormais mesurée via des capteurs de température de point de rosée spéciaux. Une humidité relative de 2 pour cent correspond donc à une température de point de rosée de -30°C. ?Avec cette méthode de mesure alternative, une sécheresse jusqu'à un point de rosée de -90°C peut être déterminée?, précise Nerling. ?Dans un prochain projet, nous tenterons pour la première fois d'atteindre, de cette manière, une humidité relative inférieure à un pour cent ou un point de rosée de -60 degrés.?

Solution complète avec grue incluse

La salle blanche de 15,5 x 5,6 mètres a été installée dans un hall de la société de recherche Volkswagen Varta Microbattery à Ellwangen, dans des conditions de production, et reliée à une salle sèche existante via une porte de raccordement. Parmi les autres exigences figuraient une température ambiante de 20°C et une propreté conforme à la classe ISO 8. ?De plus, le facteur coût, les délais de livraison courts et le respect des échéances ont également joué un rôle important, car nous devions absolument respecter les dates de livraison et d'installation des autres équipements de production?, explique Schreiber.

Ce qui a motivé la sélection du constructeur de systèmes du Bade-Wurtemberg, c'est son savoir-faire complet dans tous les domaines. Par exemple, une grue de 10 tonnes a été nécessaire dans la salle blanche, permettant de soulever la rouleau calandré pour révision. ?Nerling était le seul fournisseur à pouvoir nous livrer une solution clé en main comprenant salle blanche, technologie climatique et grue?, justifie Schreiber. La salle blanche étant la plus grande en dimensions, sa hauteur devait dépasser 5,5 mètres à cet endroit. Afin d'éviter un espace mort inutilisé au-dessus du reste de la surface, ce qui entraînerait des coûts de climatisation superflus, la hauteur de la salle a été principalement conçue à 3,3 mètres, avec seulement un dôme au-dessus du calandre.

Plaque en aluminium pour prévenir les dommages dus aux charges électrostatiques

?Un autre problème lié à une humidité relative de seulement 2 pour cent est que, via l'air et un sol en PVC classique, aucune décharge électrostatique ne peut plus être évacuée?, explique Nerling. Il existe alors un risque que, lors de la mise en marche des machines, une étincelle de décharge se produise, endommageant l'équipement. La solution consiste en une dalle de sol étanche à la diffusion de vapeur, spécialement conçue par le constructeur de systèmes, avec une plaque en aluminium. Cette dalle garantit également la décharge des charges électriques à des niveaux d'humidité très faibles. La perméabilité de l'ensemble de l'installation est également essentielle pour maintenir l'humidité constante dans la salle. Les murs extérieurs et les fenêtres du salle blanche sont donc parfaitement ajustés pour éviter toute fuite d'air vers la salle de fabrication environnante. L'accès se fait via une chambre de matériel et une chambre d'accès pour les personnes, équipées de portes verrouillables mutuellement afin d'empêcher toute infiltration d'humidité. La seconde porte vers l'intérieur ne s'ouvre qu'après la période de rinçage, lorsque la climatisation a extrait l'humidité.

Dans cet environnement de fabrication adapté aux exigences spécifiques, les recherches du joint-venture visant à optimiser la chimie des cellules de batteries et la méthodologie de fabrication sont désormais en cours. Le projet de coopération entre Volkswagen et Varta Microbattery est initialement prévu pour quatre ans et bénéficie d'un financement du ministère fédéral de l'Économie et de la Technologie. ?Si l'intérêt pour la mobilité électrique continue de croître dans notre société et si le projet pilote réussit, nous envisageons une grande installation pour la production en série de telles cellules de batteries pour voitures électriques?, déclare Schreiber en regardant vers l'avenir.

Image : Nerling Systemräume GmbH