[Vulgarisation scientifique] Comment fabrique-t-on une cellule de batterie ?

Le processus de fabrication des batteries au lithium comprend plusieurs étapes hautement contrôlées et automatisées afin de garantir sécurité et performance. Les étapes clés sont les suivantes : 1. Préparation des électrodes : La matière active est mélangée à un liant et à des additifs conducteurs pour former une pâte, qui est ensuite déposée uniformément sur des feuilles métalliques : aluminium pour l’électrode positive et cuivre pour l’électrode négative. 2. Séchage et calandrage : Les électrodes ainsi revêtues sont séchées pour éliminer les solvants, puis compressées pour obtenir une épaisseur uniforme.

Découpe des électrodes : Les électrodes sont découpées aux largeurs requises pour répondre aux spécifications de la batterie. Assemblage de la batterie : Les électrodes sont empilées ou enroulées sous forme cylindrique ou prismatique pour former les cellules de la batterie. Remplissage d’électrolyte : La batterie est scellée sous vide et remplie d’électrolyte dans un environnement à humidité contrôlée. Formation et vieillissement : La batterie subit des cycles de charge-décharge contrôlés afin d’activer les matériaux et de stabiliser ses performances. Tests et contrôle qualité : Chaque batterie est rigoureusement testée avant son conditionnement afin de garantir sa capacité, sa tension, sa résistance et sa sécurité.

Fabrication d'électrodes :

① Préparation de la suspension : Les matières actives et les additifs sont introduits dans un récipient et mélangés à sec. Un solvant est ensuite ajouté, et le mélange est homogénéisé. Il est possible d'ajouter et de mélanger une solution de liant (liquide pré-dispersé). Un vide est appliqué pour éliminer l'air incorporé au mélange. Le produit final est appelé « suspension ».

② Revêtement : La suspension est déposée uniformément sur la feuille à l’aide d’outils tels que des filières à fente ou des racles. Le revêtement peut être continu ou intermittent, et les deux faces de la feuille peuvent être revêtues simultanément ou successivement. Généralement, un procédé de revêtement en tandem est utilisé pour le revêtement séquentiel. Après revêtement, la feuille passe dans un tunnel de séchage et est acheminée par des rouleaux ou un système de suspension, où la chaleur est appliquée pour éliminer le solvant du revêtement. Afin d’obtenir un profil de température personnalisé, le tunnel est divisé en différentes zones de température. Après séchage, les électrodes sont refroidies à température ambiante et enroulées sur des bobines.

③ Calandrage et refendage : Lors du calandrage, une feuille de cuivre ou d’aluminium revêtue double face est compactée entre deux rouleaux rotatifs. Avant le calandrage, les électrodes sont déchargées statiquement et nettoyées à l’aide de brosses ou d’un jet d’air. Le matériau est compacté par la rotation des rouleaux supérieur et inférieur, ce qui permet de générer une pression précisément contrôlée. Après le calandrage, les électrodes sont nettoyées et réenroulées (procédé continu). Le refendage consiste à diviser les électrodes larges (bobines mères) en électrodes plus étroites (sous-bobines), généralement à l’aide de couteaux de coupe rotatifs. Après le refendage, chaque sous-bobine est nettoyée et réenroulée (procédé continu).

④ Séchage sous vide : Les sous-rouleaux d’électrodes sont placés sur des plateaux dédiés aux produits conformes, puis stockés dans un séchoir sous vide pendant environ 8 à 48 heures. Le séchage permet d’éliminer l’humidité résiduelle et les solvants présents dans les électrodes. L’évaporation à basse pression et basse température réduit les contraintes et l’humidité résiduelles. Une fois le séchage sous vide terminé, les électrodes sont soit transférées directement dans une chambre de séchage, soit scellées sous vide.

Fabrication de cellules :

① Découpe à l'emporte-pièce : Les rouleaux d'électrodes continus sont découpés en feuilles d'électrodes individuelles. Avant la découpe complète, une opération d'entaillage peut être réalisée (création de languettes). Lors de l'entaillage, le rouleau d'électrodes séché est déroulé, puis une découpe laser forme les languettes. Après l'entaillage, les électrodes peuvent être réenroulées ou directement envoyées à l'étape de séparation. L'entaillage et la séparation peuvent être effectués à l'aide de lasers ou d'outils de découpe à l'emporte-pièce.

② Enroulement/Empilage : Lors de l’empilage, des couches alternées d’électrode négative, de séparateur, d’électrode positive, de séparateur, etc., sont empilées. Une seule pile peut contenir jusqu’à 120 feuilles d’électrodes individuelles. Ces feuilles sont généralement prélevées, transportées et positionnées à l’aide de ventouses. L’empilement en Z est une méthode couramment utilisée dans l’industrie. Dans ce cas, les électrodes négative et positive sont insérées dans le séparateur par des côtés opposés, d’où le nom de disposition en « Z ». Après l’empilement, la pile est enveloppée de séparateurs, qui sont ensuite découpés et fixés avec du ruban adhésif. L’enroulement est utilisé pour la fabrication des batteries cylindriques (enroulement plat pour les batteries carrées). Lors de la production de batteries cylindriques par enroulement continu, des rouleaux d’électrodes positives et négatives ainsi que deux couches de rouleaux de séparateur sont introduits alternativement dans l’équipement. L’enroulement est réalisé autour d’un axe central (pour les batteries cylindriques) ou autour d’un mandrin d’enroulement (pour les batteries carrées). Une fois l’enroulement terminé, le rouleau est fixé avec du ruban adhésif.

③ Soudage : Pour les batteries souples, les parties non revêtues des électrodes positive et négative sont coupées à la longueur appropriée, puis soudées individuellement aux languettes collectrices de courant positive ou négative. Cette liaison est généralement réalisée par soudage ultrasonique. Simultanément, le film aluminium-plastique est déplié et perforé pour former des poches. Le rouleau de gel est ensuite placé dans les poches ainsi formées, en laissant les languettes exposées. Un scellage sur trois côtés est alors effectué par thermoscellage. La poche obtenue présente une ouverture sur un côté, réservée à l’étape suivante : l’injection d’électrolyte. Enfin, le côté de la poche où se trouvent les languettes est également scellé. Pour les batteries cylindriques, un anneau isolant est d’abord placé sur l’extrémité de l’électrode négative du rouleau de gel, puis inséré dans le boîtier de la cellule de manière à reposer au fond de celui-ci. La languette de l’électrode négative est ensuite fixée au fond du boîtier par soudage par résistance. Un autre anneau isolant est placé sur l’extrémité de l’électrode positive du rouleau de gel, et une rainure y est réalisée par laminage. Ensuite, le capuchon et la languette de l'électrode positive sont soudés au laser. Après l'injection de l'électrolyte, le capuchon est inséré à force dans le boîtier rainuré de la cellule, et la batterie est finalement scellée pour former une cellule cylindrique. Pour les batteries carrées, les parties non revêtues des électrodes positive et négative sont coupées à la longueur appropriée, puis soudées individuellement aux capuchons correspondants. La liaison entre les languettes et les capuchons est généralement réalisée par soudage laser. L'électrode enroulée est généralement enveloppée d'une feuille isolante pour éviter les courts-circuits avec le boîtier. Elle est ensuite insérée dans le boîtier, et ce dernier est assemblé au capuchon par soudage laser. Le capuchon comporte généralement un orifice d'injection, seul canal restant après sa soudure.

4. Injection d'électrolyte : La buse de dosage d'électrolyte est située à l'ouverture et son positionnement précis détermine si le boîtier sera contaminé par l'électrolyte. L'électrolyte est injecté dans le boîtier de la batterie par cette buse ; la quantité injectée est un paramètre critique. Pendant et après l'injection, une dépression est appliquée à la batterie, activant la capillarité et assurant le remplissage complet des cavités des électrodes. Une fois l'injection terminée, l'ouverture du boîtier est scellée.

⑤ Imprégnation

Après le remplissage avec l'électrolyte, une étape de repos et d'imprégnation est nécessaire pour améliorer le mouillage des électrodes et ainsi éviter la formation de zones non mouillées lors du processus de formation. Durant cette étape, la température ambiante est portée entre 30 °C et 50 °C. Cette température plus élevée réduit la viscosité de l'électrolyte et améliore le contact entre l'électrolyte liquide et les électrodes, ainsi qu'entre l'électrolyte et les pores des électrodes. Ceci permet à l'électrolyte de pénétrer plus rapidement dans les pores des électrodes et des séparateurs.

⑥ Le processus de « formation » désigne le premier cycle de charge et de décharge d'un élément de batterie. Lors de la formation, l'élément est placé dans une enceinte dédiée et connecté à l'équipement par des broches de contact. Il est ensuite chargé ou déchargé selon des paramètres de courant et de tension précisément définis. Au début de la formation, certains ions lithium réagissent avec l'électrolyte et se déposent sur la surface du graphite de l'électrode négative, formant une interface électrolyte solide (SEI) – une couche protectrice entre l'électrolyte et l'électrode. De plus, pour les batteries conditionnées sous film aluminium-plastique, une pression est généralement appliquée pendant le processus de formation à l'aide de dispositifs spécifiques.

⑦ Dégazage (emballage souple et carré)

Lors de la première charge, notamment pour les batteries de grande capacité, une quantité importante de gaz est générée. Dans les cellules à poche, le gaz formé lors de la formation est recueilli dans une poche à gaz. Lors du dégazage, cette poche est perforée et mise sous vide ; le gaz qui s'échappe est alors extrait. Ensuite, l'espace entre la poche à gaz et la batterie est scellé sous vide, puis la poche est découpée et éliminée comme déchet dangereux. Pour les cellules carrées, les bouchons temporaires sont retirés et la cellule est également dégazée sous vide. Si nécessaire, une seconde injection de liquide peut être effectuée à ce stade, suivie du scellement final de la cellule.

⑧ Le vieillissement est une étape essentielle de l'évaluation de la qualité des batteries et fait partie intégrante du contrôle final. Les batteries sont stockées sur des supports ou des piles de vieillissement, où elles subissent un vieillissement à haute température ou à température ambiante. Pendant une période déterminée (jusqu'à trois semaines), leur tension en circuit ouvert est mesurée périodiquement afin de contrôler la chute de tension. Si la tension de la batterie reste stable durant cette période, cela indique qu'elle est en bon état. La durée du processus de vieillissement dépend principalement du fabricant et de la chimie spécifique de la batterie.

⑨ Tests de classement : Avant leur sortie d’usine, les batteries subissent des tests finaux. Selon le fabricant, différents tests sont effectués, notamment la mesure de la résistance interne (CC/CA), l’inspection visuelle, le test de tension en circuit ouvert, le test de capacité et le test de court-circuit. Après ces tests, les batteries sont déchargées jusqu’à un niveau de charge adapté au transport. Une fois tous les tests réussis, de nombreux fabricants attribuent un classement (ou une note) aux batteries en fonction de leurs performances. Ce n’est qu’après la réussite de tous les tests que les batteries peuvent être emballées et expédiées.

Références : PROCÉDÉ DE PRODUCTION D'UNE CELLULE DE BATTERIE LITHIUM-ION