Comment sont fabriquées les piles ?

La structure et le principe de fonctionnement des batteries

Les batteries produisent de l’énergie électrique grâce à la réaction chimique qui se produit à l’intérieur de la cellule. La clé pour effectuer cette réaction est le mouvement des électrons. Les électrons sont des particules chargées négativement qui génèrent de l’électricité en se déplaçant. Ce flux est possible grâce à l’utilisation de deux métaux différents servant de conducteurs. Le câblage des métaux ensemble initie le mouvement des électrons entre eux, qui est causé par le fait que les électrons sont attirés par les métaux appelés cathode et anode. Les électrons seront toujours tirés plus fort par la cathode. Les métaux à l’intérieur d’une batterie sont interconnectés par une substance capable de conduire les électrons, appelée électrolyte. Les véhicules électriques utilisent des batteries constituées de cellules interconnectées. Les systèmes d’alimentation utilisés sont différents les uns des autres principalement par leur durée de vie utile, leur composition chimique et leur poids. Le marché des batteries pour véhicules électriques évolue de manière dynamique. Actuellement, les batteries lithium-ion sont parmi les types les plus populaires. Leur fabrication est complexe et nécessite une qualité irréprochable à chaque étape. Les batteries lithium-ion les plus populaires sont celles dont les cellules sont basées sur des métaux tels que le nickel, le cobalt ou le manganèse. Les types de batteries lithium-ion les plus couramment choisis pour les véhicules électriques comprennent les batteries lithium-nickel-cobalt-manganèse (NMC). Les batteries lithium-manganèse (LMO), lithium-fer-phosphate (LFP) et lithium-nickel-cobalt-aluminium (NCA) présentent un intérêt bien moindre.

Comment est fabriquée une batterie ?

La fabrication de cellules lithium-ion et autres se caractérise par sa complexité et son haut degré d’automatisation. La fabrication des batteries dépend de leur type, mais les principales étapes et procédés sont similaires. Pour faire simple, l’ensemble du processus de fabrication peut être divisé en trois « blocs » principaux :

1. Production d’électrodes

Quels que soient le format et la forme de la batterie produite, la première étape consiste à fabriquer les électrodes. A ce stade, il est important d’éviter les contaminations croisées entre différents matériaux, il existe donc en pratique une ligne distincte pour la réalisation de la cathode et une ligne distincte pour l’anode. L’anode est réalisée à partir d’une feuille de cuivre recouverte de graphite, tandis que la cathode est réalisée à partir d’une feuille d’aluminium recouverte d’un métal sélectionné. Les phases de production les plus importantes comprennent :

• Le mélange, qui consiste à produire la soi-disant suspension qui est un mélange de poudres (substances actives) avec un solvant, et d’autres substances chimiques qui agissent comme des liants.
• Revêtement et séchage : une suspension prête est pompée dans la zone de revêtement, où elle est appliquée sur une feuille de métal. La feuille est ensuite envoyée dans une étuve de séchage, où le solvant s’évapore et la substance active est fixée à la feuille.
• Calandrage – le processus de finition des rouleaux enduits. Ils se déplacent entre deux éléments chauffants qui assurent une compression appropriée du matériau en pressant les rouleaux contre la feuille et maintiennent ainsi une épaisseur et une densité stables et une meilleure adhérence.
• Découpe – la feuille de métal passe à travers un système de couteaux qui la coupe en plusieurs petits morceaux dont les tailles sont adaptées aux électrodes à produire.

2. Assemblage des cellules

L’assemblage des cellules nécessite un environnement sec afin d’éviter la formation d’humidité pouvant entraîner une dégradation et une baisse importante du rendement de l’électrode. A ce stade, les électrodes sont découpées et placées dans des boîtiers. L’assemblage de la cellule comprend les étapes suivantes :

• Coupe – des électrodes rectangulaires sont produites pendant le processus de coupe. La découpe est réalisée mécaniquement ou au laser.
• Disposition – dans un boîtier de batterie, les électrodes sont disposées en alternance : anode, séparateur, cathode. Le moyen le plus populaire est le stockage.
• Assemblage – des électrodes disposées de manière appropriée sont connectées et fixées aux pinces principales par soudage. La cellule ainsi produite avec des électrodes est placée dans un matériau d’emballage et scellée, laissant un bord ouvert pour le remplissage d’électrolyte.

3. Formage et contrôle qualité

Ensuite, une batterie assemblée passe par la phase de conditionnement. C’est souvent un moment critique de la production, car la cellule est chargée pour la première fois et subit une série de tests qui doivent prouver sa qualité et son efficacité. Les étapes finales de la formation d’une batterie comprennent la précharge, le dégazage et le vieillissement à haute température. Lorsque cette dernière phase est terminée, l’appareil est prêt à être utilisé dans différentes applications. Les véhicules électriques sont alimentés par des batteries lithium-ion. Ils font partie des types de batteries les plus populaires, principalement en raison du fait qu’ils permettent de parcourir plus de kilomètres avec une seule charge par rapport aux autres types de batteries. Leur procédé de fabrication est très similaire à celui des batteries au lithium les plus courantes. Une caractéristique des batteries de voitures électriques est qu’elles constituent une connexion en série de plusieurs cellules lithium-ion qui composent ce que l’on appelle des modules. Chaque module d’une batterie contient de quelques à plus de dix cellules connectées en série. Ensuite, les modules sont soudés ensemble pour former des batteries qui subissent un contrôle qualité.

Matières premières pour la production de batteries

Les systèmes de stockage d’énergie les plus populaires incluent les batteries lithium-ion. La production de ces cellules est complexe et nécessite une qualité irréprochable à chaque étape. Une question importante est de choisir des matières premières pour la production telles que la batterie finie puisse répondre pleinement à la demande du marché et aux exigences des consommateurs.

Les métaux

Les matières premières les plus importantes pour la production de batteries sont les métaux, principalement le lithium, le cadmium, le nickel, le fer, le zinc et le manganèse. Ce dernier est le matériau le plus populaire utilisé pour produire des batteries lithium-ion. D’autres éléments utilisés pour la production de batteries sont le magnésium et l’aluminium (comme électrodes), en raison de leur potentiel standard élevé et de leur équivalent électrochimique. Un avantage supplémentaire est leur prix relativement bas et leur grande disponibilité. Cela en fait un substitut idéal aux électrodes populaires en zinc. Un autre métal utilisé dans les batteries est l’argent, qui permet de produire des cellules sûres avec une densité d’énergie élevée. De plus, l’utilisation d’argent permet d’obtenir une tension de batterie plus élevée par rapport au cadmium, par exemple.

Oxydes métalliques

Les électrodes des batteries (cathodes et anodes) ne sont pas uniquement constituées de métaux. Des oxydes métalliques, tels que l’oxyde de manganèse (IV) ou l’oxyde de zinc, sont également utilisés. Le matériau actif des batteries lithium-ion est généralement le lithium, qui se présente le plus souvent sous la forme d’oxydes combinés à des métaux tels que le cobalt, le manganèse, le nickel, le vanadium ou le fer.

Électrolytes

L’électrolyte est le composant clé des batteries lithium-ion qui permet une libre circulation des électrons entre les électrodes. Les électrolytes sont principalement des solutions aqueuses ou des solutions dans des substances organiques, qui sont produites en dissolvant un ou plusieurs types de sel, par exemple le chlorure d’ammonium, le chlorure de zinc ou le perchlorate de magnésium. Dans les piles alcalines, l’hydroxyde de potassium est utilisé comme électrolyte. Le carbonate de vinylène est également couramment sélectionné pour produire des électrolytes pour batteries lithium-ion. C’est particulièrement important pour le secteur en croissance dynamique des piles et accumulateurs. Le carbonate de vinylène de haute pureté (minimum 99,99%) est disponible dans la large gamme de produits du groupe PCC , qui est l’un des principaux fabricants et fournisseurs de produits chimiques et de matières premières pour toutes les industries.

Graphite

Le graphite ou le carbone en poudre est une matière première clé pour la production d’électrodes. La structure de certaines batteries comprend des barres de graphite qui "collectent" les électrons entrant du circuit et les distribuent à travers la cathode. De plus, la structure du graphite facilite l’extraction des gaz produits lors d’une réaction électrochimique.

Plastiques

Les plastiques , tels que le polyéthylène ou le polypropylène , sont d’excellents matériaux utilisés dans la production de séparateurs de batteries. Ils séparent la cathode de l’anode. Les plastiques sont également utilisés pour fabriquer des revêtements et des boîtiers pour les batteries.