Le carré doit devenir rond

Caractérisation morphologique de l'électrolyte solide et de la cathode composite. © Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez

Électrolyte pour le corps de fixation après le revêtement sur le conducteur électrique. © Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez

Les batteries avec le plus d'énergie possible sont particulièrement demandées pour les véhicules électriques. L'institut Fraunhofer IPA travaille sur des batteries solides, qui devraient avoir une densité énergétique proche de 700 wattheures par kilogramme, soit presque le double de celle des batteries lithium-ion actuelles. Des jumeaux numériques doivent aider à surmonter les obstacles existants pour la production de masse.

Au sein de l'Institut Fraunhofer pour la technologie de production et l'automatisation IPA, on se concentre sur des technologies où la montée en échelle du prototype de laboratoire à la production industrielle semble réalisable. La clé est que de nouvelles batteries, avec quelques modifications, peuvent également être produites sur des installations existantes. Le produit final envisagé est une cellule cylindrique au format standard 21700, qui a un diamètre de 21 millimètres et une longueur de 70 millimètres.

Des fabricants comme VARTA AG, un partenaire de projet de Fraunhofer IPA dans la recherche sur les batteries, ont tout intérêt à se concentrer sur ces cellules cylindriques. Il est plus facile de vérifier individuellement ces cellules dans un module de batterie et de les remplacer en cas de défaut. Les espaces creux entre les cellules permettent de dissiper la chaleur. Souvent, ces cellules sont encore utilisées comme vecteurs d'énergie dans d'autres applications après que la batterie de la voiture a été retirée. Les cellules cylindriques standardisées facilitent cette transition.

Le matériau friable pose des défis

Les cellules de batteries solides ne contiennent pas de liquide comme électrolyte, contrairement à une batterie lithium-ion, mais un électrolyte solide céramique ou sulfidique, c'est-à-dire contenant du soufre. Les électrolytes polymères sont également une option, mais nécessitent des températures de fonctionnement plus élevées, supérieures à 60 degrés Celsius. Aujourd'hui, ces cellules sont généralement conçues sous forme de pouchs plats et rectangulaires. Les développements actuels dans le domaine des électrolytes solides céramiques chez Fraunhofer IPA visent à accélérer le processus de frittage du matériau céramique et à créer la géométrie souhaitée pour une utilisation ultérieure dans la batterie dès cette étape. Cependant, la fragilité du matériau rend difficile la post-traitement et le bobinage en une cellule cylindrique.

Pour les cellules cylindriques, les électrolytes solides sulfidique offrent un avantage décisif. Lorsqu'ils sont traités correctement, des couches flexibles peuvent être fabriquées, qui restent stables même avec de petits rayons de bobinage. De plus, la famille de sulfures Thio-LISICON, électrolytes inorganiques, montre des résultats prometteurs en termes de conductivité ionique à basse température. Cependant, bien que les électrolytes sulfidique présentent d'excellentes capacités de conduction ionique et pourraient concurrencer les électrolytes liquides organiques, ils sont actuellement beaucoup plus coûteux. La mise en place de capacités de production adaptées permettrait de réaliser une fabrication économique des électrolytes à base de sulfures.

La fabrication industrielle de batteries solides est encore loin. Aujourd'hui, ces batteries sont principalement construites avec du lithium comme anode, ce qui pose des défis spécifiques pour l'environnement de montage. Pour éviter que le matériau ne réagisse avec l'oxygène ou l'humidité de l'air, il faut non seulement des conditions de salle sèche coûteuses, mais parfois aussi des zones de production encapsulées avec un gaz protecteur comme l'argon. Des chercheurs de Fraunhofer IPA étudient donc comment fabriquer des batteries solides dans des conditions modérées. « Une approche prometteuse est la déposition in situ du métal lithium. Lors de la première charge, les ions lithium présents dans la cathode forment une couche sur le conducteur de l'électrode négative », explique Duygu Kaus du Centre de production de cellules de batteries numérisées (ZDB). Des essais doivent déterminer quel matériau de conducteur permet la meilleure formation in situ de l'anode.

Le jumeau numérique soutient le développement des cellules de batteries et l'optimisation de la production

Pour déterminer quels paramètres sont les plus appropriés pour la fabrication, il est jusqu'à présent nécessaire de réaliser de nombreux essais — non seulement en laboratoire, mais aussi dans des conditions de production industrielle évolutives. La consommation de matériaux serait alors considérable, et chaque modification aurait un impact sur d'autres étapes de la chaîne de processus.

« Une solution plus élégante est le jumeau numérique. Il assiste l'opérateur dans la production grâce à ses capacités de surveillance, d'analyse et de prévision », explique Soumya Singh du ZDB. Le jumeau numérique est une représentation virtuelle de certaines étapes du processus ou de lignes de production entières, qui est continuellement enrichie par des données opérationnelles supplémentaires. Il aide les ingénieurs à simuler le comportement futur de la fabrication avec différentes paramétrisations et à évaluer leurs impacts à l'avance. Alimenté par de vastes sources de données issues de la production, le jumeau numérique fournit des informations sur l'efficacité de chaque étape, mais aussi sur l'effet de divers paramètres de traitement sur la qualité des sous-produits, les temps de processus et leur stabilité. Par exemple, le jumeau numérique permet de déterminer sur l'ordinateur de l'opérateur comment les étapes de traitement d'une électrode doivent être réalisées pour qu'elle soit suffisamment élastique à la fin, afin de pouvoir l'enrouler.

Une fois la mise en œuvre effectuée, le jumeau numérique est synchronisé avec l'étape de production et alimenté en continu par des données actuelles issues de la fabrication. Il surveille alors la stabilité de la production et devient une composante intégrale de la gestion de la qualité.