Production numérisée et durable de cellules de batterie
Premier système d'enroulement de cellules de batteries de ce type
La poursuite du développement et de l'évolution des systèmes de stockage existants est une condition préalable essentielle à la transition énergétique. Le Centre de fabrication numérisée de cellules de batteries (ZDB) de l'Institut Fraunhofer pour l'ingénierie de la fabrication et l'automatisation IPA et acp systems AG ont uni leurs forces pour mettre en service un système d'enroulement de cellules de batteries cylindriques aux formats et à la conception flexibles. Ce système sert de plateforme de recherche et de production innovante pour tester de nouveaux formats et composants de cellules, ainsi que des conceptions d'onglets, et permet également de développer des cellules de grand format pour les futures technologies de batteries. Le système d'enroulement est le premier du genre au monde. Il est intégré dans une infrastructure automatisée et numérisée de production de cellules de batteries.
Rouleaux de gelée et cellule de batterie cylindrique produits par Fraunhofer IPA (cellule ronde 21700 en conception continue sans languette)
© Fraunhofer IPA/Rainer Bez
Les batteries de véhicules électriques se composent de plusieurs modules, chacun comprenant de nombreuses cellules de batterie individuelles. Ces modules sont la pièce maîtresse de toute batterie et sont responsables de la majeure partie de la création de valeur. Les cellules de batterie cylindriques sont devenues de plus en plus populaires dans l'industrie automobile ces dernières années, la tendance étant de favoriser les grands formats de cellules. Le ZDB du Fraunhofer IPA et acp systems AG ont travaillé en étroite collaboration pour développer, construire et maintenant mettre en service un système d'enroulement pour les cellules de batteries cylindriques, également connues sous le nom de cellules rondes. Ce système servira de plateforme de recherche et de production polyvalente pour tester rapidement de nouveaux formats de cellules et de nouvelles conceptions de languettes, ainsi que des méthodes avancées d'amélioration de la qualité et d'optimisation des processus. Le nouveau système d'enroulement complète une chaîne de production unique en Europe pour la fabrication de cellules de batterie cylindriques pour les batteries lithium-ion et les futures technologies de batterie telles que les batteries sodium-ion. La particularité de la chaîne de production réside dans le fait que toutes les étapes du processus sont numérisées et interconnectées, depuis le revêtement et l'enroulement jusqu'à l'assemblage, le remplissage et le formage. Le ministère de l'économie, du travail et du tourisme du Bade-Wurtemberg a financé la construction et l'installation du système de bobinage.
"Chez ZDB, nous pouvons couvrir toutes les étapes du processus de fabrication d'une cellule de batterie. Le bobinage est l'un des processus clés de la production de cellules cylindriques, car le jelly roll est la pièce maîtresse de la cellule de batterie. En mettant le système de bobinage en ligne, nous avons comblé une lacune dans la chaîne de processus entièrement numérisée, de sorte que la ligne de production est complète", explique Julian Grimm, chef de l'équipe de recherche de l'IPA Fraunhofer et directeur adjoint du ZDB.
Électrodes et séparateurs roulés en petits pains
Une douzaine d'étapes sont nécessaires pour qu'une cellule soit prête à l'emploi. Au cours du processus d'enroulement, les électrodes positives et négatives sont enroulées avec deux séparateurs pour former un "jelly roll". La batterie est ensuite assemblée, une étape qui nécessite de déplacer et de positionner le jelly roll avec une grande précision. Une électrode en forme de tige est ensuite insérée dans le trou central du rouleau et utilisée pour souder le rouleau à la base du cylindre.
Mais le nouveau système d'enroulement des cellules de batteries cylindriques est plus qu'une simple plateforme de production de jelly rolls. Il servira également de plateforme de recherche pour développer des systèmes et des formats de cellules innovants et tester leur qualité. "Ce qui rend notre système unique, c'est sa flexibilité. Il nous permet de réaliser différents formats de cellules dans différentes tailles et différents modèles de languettes, comme les modèles sans languette, qui n'ont pas de languette soudée. La languette, un élément terminal étroit sur l'anode et la cathode par lequel l'électricité doit passer, est le point d'étranglement des cellules de grand format", explique M. Grimm. En ce qui concerne les cellules rondes, la tendance est aux formats plus grands, qui prennent plus de place en termes de diamètre et de hauteur. Cela signifie que le rouleau et la cellule elle-même sont plus grands. Mais plus les cellules sont grandes, plus il est difficile de collecter le courant et de dissiper la chaleur. "Nous pouvons relever ce défi en concevant des languettes individuelles. Dans une conception sans languette, par exemple, la feuille de support en aluminium et en cuivre peut servir à collecter le courant et à dissiper la chaleur, ce qui permet une meilleure conduction des deux qu'une languette traditionnelle", explique M. Grimm. La conception innovante des cellules garantit l'homogénéité des cellules cylindriques, ce qui permet d'utiliser des cellules de grand format. Des cellules plus grandes avec plus de matière active peuvent être utilisées pour obtenir une plus grande densité énergétique, ce qui permet d'augmenter l'autonomie des véhicules électriques.
Collecte de données associées aux cellules de batteries
Afin de réduire les déchets et d'améliorer la qualité, l'ensemble du processus de production est numérisé et interconnecté. À cette fin, des capteurs collectent des données, qui sont ensuite agrégées en temps réel dans le nuage. Les technologies de traçabilité développées par le Fraunhofer IPA permettent d'associer les données collectées aux cellules de batterie produites. Chaque cellule de batterie produite est disponible pour l'analyse des données et l'entraînement de l'intelligence artificielle. Il est ainsi possible de retracer les conditions dans lesquelles la cellule a été produite et de déterminer leur lien avec la qualité du produit final. Les données sont utilisées pour développer des services dotés de capacités de surveillance, d'analyse et de prédiction. Il est ainsi possible d'améliorer le processus de production et d'éliminer les sources d'erreur plus rapidement qu'auparavant.
"Les conceptions cellulaires innovantes nécessitent une nouvelle conception et une optimisation des processus de production, que nous pouvons étudier à l'aide du système d'enroulement. La combinaison d'une conception innovante des cellules et d'approches agiles de la production est la clé pour répondre aux exigences d'un paysage énergétique en évolution rapide, pour permettre des lancements plus rapides de nouvelles solutions sur le marché et pour ouvrir la voie à des technologies de batteries durables et de haute qualité", explique M. Grimm. Les fabricants et les utilisateurs d'électrodes, de séparateurs et de cellules peuvent également utiliser le système pour tester leurs prototypes, produits, composants de cellules, matériaux et conceptions.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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