Solutions numériques et développement de matériaux pour la production de batteries

Fabrication de cellules de batterie chez Varta. © VARTA Microbattery GmbH

Smartphone, chariot élévateur, voiture électrique – des accumulateurs d'énergie efficaces sont indispensables pour passer des sources d'énergie fossiles à une électricité propre. L'institut Fraunhofer de Stuttgart pour la technologie de production et l'automatisation IPA a lancé, en collaboration avec des partenaires, un projet visant à rendre la fabrication de cellules de batteries moins coûteuse et à améliorer leur qualité.

L'objectif est une production entièrement automatisée, qui non seulement détecte les pièces défectueuses, mais en identifie également la cause – et intervient immédiatement sans intervention humaine. Cela n'est possible que si toute la chaîne de processus est numérisée et si des capteurs collectent d'innombrables données. Dans cette usine du futur, tout est enregistré : des réglages de toutes les machines à l'épaisseur du revêtement appliqué, en passant par la température ambiante et l'humidité de l'air. Pour trouver des liens significatifs dans cette jungle de données, il faut de l'intelligence artificielle. Elle détermine à quels réglages et paramètres on peut s'attendre à quels résultats.

Concepts de numérisation pour la production de batteries

DigiBattPro4.0 représente la production numérisée de cellules de batteries avec les technologies Industrie 4.0. L'objectif du projet ne peut bien sûr pas être atteint en laboratoire. Pour obtenir des résultats fiables, il faut une fabrication réelle avec des volumes élevés. Cela est rendu possible par le groupe de batteries de Bade-Wurtemberg, Varta, qui produit quotidiennement des dizaines de milliers de batteries. Ici, les experts du Fraunhofer commenceront par connecter tous les machines et créeront un modèle informatique. L'ensemble du processus de production se déroulera alors non seulement en réalité, mais aussi virtuellement. Le modèle doit montrer comment les variables du processus influencent les propriétés du produit, où des améliorations peuvent être apportées – la préfiguration de la fabrication auto-régulée.

Le processus de fabrication s'adapte lui-même grâce à l'apprentissage

Ce qui fonctionne dans la ligne de production existante doit être transféré, dans un second temps, aux batteries lithium-ion, comme celles utilisées dans les voitures électriques. Les cellules standard sont cylindriques et mesurent 70 millimètres de haut pour 21 millimètres de diamètre. Les experts parlent du format 21700. À la fin de son cycle, le projet doit créer les conditions pour fabriquer ces cellules de manière entièrement automatique à l'aide de processus auto-régulés et sans perturbations, afin de réduire les délais de production et le taux de rebuts.

Développement de matériaux performants et respectueux de l'environnement

Les cellules doivent également devenir plus performantes grâce à de nouveaux matériaux, tout en rendant le processus de fabrication plus écologique : un matériau de cathode aqueux remplace le solvant nocif pour l'environnement, et une teneur enrichie en nickel augmente la densité énergétique.

Sécuriser la souveraineté technologique et maintenir la compétitivité

La liaison entre numérisation et développement des matériaux, à laquelle participent, aux côtés de l'institut Fraunhofer et Varta, le Centre pour l'énergie solaire et la recherche sur l'hydrogène en Bade-Wurtemberg ZSW, garantit des résultats rapides. Le projet a débuté le 1er mars et doit durer quatre ans. « À long terme, les solutions de numérisation développées favoriseront la rentabilité de la production de cellules de batteries et assureront le site de production en Allemagne », affirme le directeur de l'institut IPA, le professeur Alexander Sauer.

Fiche technique

Nom du projet : DigibattPro4.0 – Production numérisée de cellules de batteries 4.0
Programme : De la matière à l'innovation
Responsable du projet : Jülich (PtJ)
Durée du projet : du 1.3.2021 au 28.2.2025
Financeur : Ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche BMBF
Montant du financement : 30 millions d'euros
Numéro de référence : 03XP0374C
Partenaires : Fraunhofer IPA, VARTA Consumer Batteries GmbH & Co. KGaA, VARTA Microbattery GmbH, Centre pour l'énergie solaire et la recherche sur l'hydrogène en Bade-Wurtemberg (ZSW) Ulm