Production de batteries numérisées et durables

Plateforme innovante de recherche et développement : système d'enroulement flexible en termes de formats et de conception. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Plateforme innovante de recherche et développement : système d'enroulement avec formats et design flexibles. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Roulés de gelée et cellule de batterie cylindrique fabriqués au Fraunhofer IPA (cellule ronde 21700 en conception continue sans languette). © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Roulés de gelée et cellule de batterie cylindrique produite au Fraunhofer IPA (cellule ronde 21700 en conception continue sans languette). © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Flexibilité de format et de conception pour les cellules de batterie cylindriques (cellules rondes). © Fraunhofer IPA / Flexibilité de format et de conception pour les cellules de batterie cylindriques (cellules rondes). © Fraunhofer IPA

Le développement des systèmes de stockage existants est une condition essentielle pour la transition énergétique. Le Centre pour la production digitalisée de cellules de batteries (ZDB) de l'Institut Fraunhofer pour la technologie de production et l'automatisation IPA a mis en service, en collaboration avec acp systems AG, une ligne d'enroulement flexible en format et en conception pour les cellules cylindriques de batteries. Elle sert de plateforme de recherche et de production innovante, permettant d'expérimenter de nouveaux formats de cellules, composants et designs de bandes. Elle facilite le développement de cellules de grande taille pour les technologies de batteries futures. La ligne d'enroulement est unique au monde et intégrée dans une infrastructure automatisée et numérisée pour la production de cellules de batteries.

Les batteries pour voitures électriques sont composées de plusieurs modules, dans lesquels une multitude de cellules de batteries sont intégrées. Celles-ci constituent le cœur de chaque batterie, représentant également la majeure partie de la valeur ajoutée. Au cours des dernières années, les cellules cylindriques de batteries sont devenues de plus en plus populaires dans l'industrie automobile, avec une tendance vers des formats de cellules plus grands. Le ZDB du Fraunhofer IPA a développé, en étroite collaboration avec acp systems AG, une ligne d'enroulement pour cellules cylindriques, également appelées cellules rondes, qui a été mise en service. Elle sert de plateforme de recherche et de production polyvalente pour expérimenter de nouveaux formats de cellules, designs de bandes et méthodes avancées pour améliorer la qualité et optimiser les processus en peu de temps. La nouvelle ligne d'enroulement complète une ligne de fabrication unique en Europe pour l'assemblage complet de cellules de batteries pour les technologies lithium-ion ainsi que pour les futures technologies de batteries comme les batteries sodium-ion. La particularité de cette chaîne de fabrication réside dans la numérisation et la mise en réseau de toutes les étapes du processus – du revêtement, de l'enroulement, de l'assemblage, du remplissage jusqu'au formage. Le ministère de l'Économie, du Travail et du Tourisme du Bade-Wurtemberg a soutenu la construction et l'installation de cette ligne d'enroulement.

»Au ZDB, nous pouvons couvrir toutes les étapes du processus de fabrication d'une cellule de batterie. Le processus d'enroulement est l'un des processus clés de la production, l'enroulement étant le cœur de la cellule de batterie. Avec cette ligne d'enroulement, nous avons désormais comblé une lacune dans la chaîne de processus entièrement digitalisée, la ligne de fabrication étant ainsi complète», explique Julian Grimm, chef de l'équipe de recherche au Fraunhofer IPA et directeur adjoint du ZDB.

Les électrodes et séparateurs sont enroulés pour former la Jelly Roll

Une dizaine d'étapes sont nécessaires pour qu'une cellule soit prête à l'emploi. Lors du processus d'enroulement, l'électrode positive et négative, ainsi que deux séparateurs, sont enroulés pour former ce qu'on appelle la Jelly Roll. Ensuite, l'assemblage suit, où la Jelly Roll doit être guidée avec une grande précision. Enfin, l'électrode de tige insérée par le trou central de l'enroulement est soudée au fond du récipient.

Mais la nouvelle ligne d'enroulement pour cellules cylindriques n'est pas seulement une plateforme de production pour les Jelly Rolls, elle sert également de plateforme de recherche pour développer des systèmes et formats de cellules innovants et tester leur qualité. »L'atout unique de notre installation est sa flexibilité. Elle nous permet de réaliser différents formats de cellules, de différentes tailles et designs de bandes, comme par exemple des designs sans bande connectée, où la bande conductrice en aluminium et en cuivre sert de conducteur de courant et de dissipateur thermique, permettant un meilleur transfert thermique que le design classique», explique Grimm. Les designs innovants de cellules garantissent l'homogénéité dans les cellules cylindriques et permettent ainsi la fabrication de cellules de grande taille. Avec des cellules plus grandes contenant plus de matériau actif, il est possible d'obtenir une densité énergétique plus élevée et donc une autonomie accrue pour les voitures électriques.

Les données collectées sont attribuées aux cellules de batteries

Pour minimiser les rebuts et améliorer la qualité, l'ensemble du processus de production est numérisé et connecté. Des capteurs collectent des données qui convergent en temps réel vers le cloud. Les technologies de traçabilité développées par le Fraunhofer IPA permettent d'attribuer les données collectées aux cellules de batteries produites. Chaque cellule de batterie fabriquée est prête pour l'analyse de données et l'entraînement d'une intelligence artificielle. Cela permet de retracer les conditions de fabrication et leur relation avec la qualité du produit final. Les données sont utilisées pour développer des services avec des capacités de surveillance, d'analyse et de prévision. Cela permet d'améliorer le processus de production et de corriger plus rapidement les sources d'erreur.

»Les designs innovants de cellules nécessitent une refonte et une optimisation des processus de production, qui peuvent être étudiés sur la ligne d'enroulement. La combinaison d'un design de cellule innovant et d'approches de production agiles est la clé pour répondre aux exigences d'un paysage énergétique en rapide évolution, permettre une mise sur le marché plus rapide de nouvelles solutions et ouvrir la voie à des technologies de batteries durables et de haute qualité», résume Grimm. Les fabricants et utilisateurs d'électrodes, séparateurs et cellules ont également la possibilité de tester leurs prototypes, produits, composants de cellules, matériaux et designs sur cette installation.