Face aux exigences croissantes des applications haute puissance telles que les drones, la robotique, les systèmes de charge rapide et les équipements industriels, qui nécessitent des taux de décharge et une stabilité thermique plus élevés, les structures de batteries bobinées traditionnelles atteignent leurs limites de performance. Les ingénieurs sont souvent confrontés à des problèmes de chute de tension, de surchauffe sous forte charge ou de capacité de charge rapide limitée. Dans ce contexte, la technologie des batteries empilées suscite un intérêt grandissant. Mais l'empilement est-il toujours préférable au bobinage ? Et comment choisir la solution la plus adaptée à votre projet de batterie haute puissance ?
Applications typiques nécessitant des performances de batterie à haut débit
Tous les appareils ne nécessitent pas de décharge à courant élevé. Cependant, pour certaines applications, la structure de la batterie influe directement sur les performances et la sécurité. Voici quelques scénarios typiques de décharge à courant élevé où la technologie d'assemblage des cellules devient cruciale :
Les drones nécessitent des pics de puissance rapides au décollage, en montée et lors des manœuvres. Un taux de décharge élevé et une tension de sortie stable sont essentiels pour éviter toute instabilité en vol.
Les robots industriels et de service subissent fréquemment des pics de courant lors du contrôle de mouvement et de l'accélération. Une mauvaise gestion du courant peut entraîner des chutes de tension et des réinitialisations du système.
Les outils électriques fonctionnent sous des charges importantes et soudaines. La batterie doit fournir un courant instantané élevé sans surchauffer.
Les défibrillateurs et les systèmes médicaux portables nécessitent à la fois une décharge rapide et une fiabilité absolue en situation d'urgence.
Les véhicules à guidage automatique nécessitent une décharge à courant élevé stable et une gestion thermique efficace pour un fonctionnement continu. Si votre application implique des décharges à courant élevé fréquentes (supérieures à 3C–5C), la structure interne de l'élément de batterie devient un facteur de conception essentiel.
Qu'est-ce que la technologie des batteries empilées ?
La technologie d'empilement de batteries consiste à utiliser le collecteur de courant comme languette de connexion et à empiler l'électrode positive, le séparateur et l'électrode négative selon la séquence positive-séparateur-négative pour former une cellule empilée. Il existe deux principales méthodes d'empilement : l'empilement direct, où le séparateur est découpé, et l'empilement en Z, où le séparateur est plié sans être découpé. Les procédés d'empilement et d'enroulement sont entièrement automatisables et constituent des technologies d'assemblage de cellules éprouvées.
La structure des cellules empilées garantit que chaque languette possède une oreille correspondante, ce qui réduit la résistance interne et les rend plus adaptées aux cycles de charge et de décharge à courant élevé. De plus, les cellules empilées offrent une utilisation optimale de l'espace. Comparées aux cellules bobinées, elles présentent des avantages intrinsèques pour la conception et la fabrication de batteries de grande taille, ultra-minces et de formes irrégulières.
La structure empilée répartit la force uniformément, ce qui réduit les taux de dilatation, améliore la fluidité du courant et prolonge la durée de vie des cycles. Cependant, le processus d'empilage est plus complexe et nécessite la présence de plusieurs languettes, ce qui accroît le risque de soudure défectueuse. Comparées aux équipements d'enroulement, les machines d'empilage requièrent une grande précision, sont plus coûteuses et leur cadence de production est plus lente.
Qu'est-ce que la technologie des batteries bobinées ?
La technologie d'enroulement des batteries consiste à souder les languettes aux collecteurs de courant par ultrasons. La languette de l'électrode positive est en aluminium, tandis que celle de l'électrode négative est en nickel. Les feuilles d'électrodes positive et négative, ainsi que les séparateurs, sont agencés dans l'ordre suivant : électrode positive, séparateur, électrode négative, séparateur, puis enroulés ensemble pour former la cellule. Ce procédé d'enroulement est utilisé dans la production de batteries lithium-ion et est particulièrement adapté à la fabrication de cellules cylindriques et carrées.
Les batteries lithium-ion, technologie clé de l'énergie moderne, bénéficient d'une technologie d'enroulement très aboutie. Aujourd'hui, la fabrication des cellules bobinées est entièrement automatisée. L'utilisation de l'aluminium et du nickel permet de maintenir un faible coût de production et un taux d'utilisation élevé, faisant de l'enroulement une étape essentielle de l'assemblage des batteries lithium-ion.
La structure bobinée confère aux batteries cylindriques une résistance à la compression et une sécurité accrues. Cependant, un inconvénient réside dans le mélange des électrodes lors du bobinage, créant des zones mortes et réduisant ainsi l'espace disponible. De plus, la conception à une seule languette engendre une résistance interne plus élevée, ce qui est préjudiciable aux cycles de charge et de décharge à courant élevé. Par conséquent, les cellules bobinées conviennent mieux aux petites batteries carrées et cylindriques.
Pourquoi les batteries à haut débit privilégient-elles la technologie des batteries empilées ?
Les batteries à haut rendement, telles que les batteries de puissance et les batteries à charge rapide, doivent maintenir un rendement, une stabilité et une sécurité élevés lors des cycles de charge et de décharge à courant élevé, ce qui impose des exigences accrues aux procédés de fabrication. Le procédé d'empilage remplace le procédé d'enroulement traditionnel dans les batteries à haut rendement. La technologie des batteries empilées offre une résistance plus faible, une densité énergétique supérieure, une meilleure stabilité et une durée de vie plus longue, ce qui la rend idéale pour… robots, des drones et des outils électriques.
Chemin de courant plus court, résistance interne plus faible
Lors des cycles de charge et de décharge à haute intensité, la batterie doit supporter des courants plus importants, et la longueur du trajet du courant influe sur la résistance interne et la génération de chaleur.
- Technologie des batteries bobinées. Le courant circule sur toute la longueur de l'électrode, ce qui entraîne un trajet plus long, une résistance interne plus élevée et, par conséquent, une perte d'énergie et une génération de chaleur notables à courants élevés.
- Technologie de batterie empilée. Ses électrodes positive et négative sont empilées en parallèle, et le courant doit traverser verticalement l'épaisseur des électrodes, raccourcissant ainsi le trajet, réduisant la résistance interne et la rendant plus adaptée aux cycles de charge et de décharge rapides.
Densité énergétique plus élevée, meilleure utilisation de l'espace
La densité énergétique de la batterie influe directement sur son autonomie et ses performances, et le processus d'empilement présente un avantage considérable en termes d'utilisation de l'espace.
- Technologie des batteries bobinées. Une cavité se forme au centre de la cellule, entraînant un gaspillage d'espace et une limitation de la densité énergétique.
- Technologie de batteries empilées. Les électrodes sont soigneusement empilées sans cavité centrale, ce qui permet une utilisation optimale de l'espace et une augmentation de la densité énergétique de 5 à 10 %.
Meilleure stabilité mécanique et thermique
- Les batteries à haut débit génèrent davantage de dilatation et de chaleur lors de la charge et de la décharge, et le processus d'empilement permet de résoudre ces problèmes.
- Répartition uniforme des contraintes. La structure d'empilement répartit uniformément les contraintes sur les électrodes, réduisant ainsi la déformation ou le plissement du séparateur causés par une dilatation inégale.
- Meilleure dissipation de la chaleur. La chaleur est répartie plus uniformément, évitant ainsi la surchauffe locale.
Durée de vie plus longue
Les batteries à taux de décharge élevé ont tendance à vieillir plus rapidement en raison des cycles fréquents de charge et de décharge à courant élevé, et le processus d'empilement contribue à prolonger leur durée de vie.
Dégradation d'interface réduite : la structure d'empilement minimise la perte de matériau actif causée par la flexion des électrodes, augmentant ainsi la durée de vie des cycles de 10 à 20 % par rapport au processus d'enroulement.
Adaptabilité aux conceptions de batteries de grande taille et de forme irrégulière
À mesure que les batteries évoluent vers des tailles plus importantes et une personnalisation accrue, le processus d'empilement offre une plus grande flexibilité.
- Procédé d'enroulement : Les cellules de grande taille sont sujettes à la déformation, ce qui affecte leurs performances.
- Procédé d'empilage : Peut s'adapter à des conceptions telles que les batteries à lames et les cellules de forme irrégulière, répondant ainsi aux besoins de différents scénarios d'application.
Défis du processus d'empilement
- Rendement de production inférieur. L'empilage exige un alignement précis et la vitesse de production est plus lente que l'enroulement.
- Coût élevé des équipements. Les machines d'empilage sont plus complexes que les machines d'enroulement, ce qui nécessite un investissement initial plus important.
En pratique, le choix de la technologie d'empilement ne garantit pas à lui seul des performances élevées. L'intégration de l'assemblage des cellules à la conception technique du pack est tout aussi cruciale.
Classification des technologies de batteries empilées
L’empilement en Z, l’empilement intégré par découpe, l’empilement thermocomposite et l’empilement intégré par rouleau sont les quatre principales technologies d’empilement de batteries lithium-ion. La compréhension de leur principe de fonctionnement contribue à améliorer l’efficacité de la conception des batteries empilées.
Technologie d'empilement en Z
La technologie d'empilement en Z est un procédé d'empilement qui consiste à déplacer le séparateur d'avant en arrière entre les plateformes d'empilement, réalisant ainsi l'empilement croisé des électrodes positives et négatives. Ce procédé présente les inconvénients suivants :
- Déformation du séparateur : Le séparateur se déplace avec la plateforme d’empilage, ce qui entraîne une asymétrie et une déformation affectant la qualité de la batterie. De plus, la porosité et la surface spécifique du séparateur fluctuent.
- Faible efficacité d'empilage : le séparateur doit pivoter pendant l'empilage, ce qui augmente le temps par pile, et permet un empilage en une seule pièce.
Technologie intégrée à pile coupée
- Rendement amélioré : En intégrant plusieurs procédés dans une seule machine, le risque d’endommagement lors du transfert est réduit. Les méthodes traditionnelles impliquaient la manipulation séparée des feuilles d’électrodes, ce qui les endommageait. La machine intégrée combine la découpe, l’empilage en Z et le pressage à chaud de l’adhésif, minimisant ainsi la manutention et améliorant le rendement.
- Amélioration de l'efficacité d'empilement : la machine alimente simultanément les électrodes et les séparateurs, en les empilant en forme de Z. Une fois le nombre de couches défini atteint, le séparateur est découpé, collé et pressé à chaud pour former la cellule.
Technologie d'empilement thermocomposite
Les machines d'empilage thermocomposites alimentent simultanément les électrodes et les séparateurs. Les électrodes sont découpées, chauffées et pressées ensemble, formant des unités composites qui sont ensuite empilées et pressées à chaud dans le noyau. Le séparateur est enduit d'un adhésif qui devient collant sous l'effet de la chaleur, ce qui facilite la liaison des couches pendant le processus.
Technologie intégrée de rouleaux
LG détient le brevet Stack & Folding, dont l'équipement est fourni par la société allemande MANZ. Le procédé consiste à découper les électrodes positives et négatives en unités, lesquelles sont placées sur des séparateurs puis enroulées afin d'empiler alternativement les électrodes. Cette méthode offre une vitesse et une efficacité élevées.
Le brevet Stack & Folding de LG consiste à empiler une électrode positive, une électrode négative et un séparateur pour former une cellule bipolaire, puis à plier plusieurs cellules bipolaires pour créer la batterie. LG utilise également sa technologie SRS (Safety Reinforced Separator), qui consiste à revêtir le séparateur de céramique pour en accroître la résistance et prévenir les courts-circuits.
Tendances de développement des technologies d'empilage et d'enroulement des batteries
Les machines d'empilage à grande vitesse et la technologie d'électrodes sèches utilisées dans la fabrication des batteries permettent d'éliminer le revêtement de solvant et de presser les feuilles d'électrodes. Cette innovation vise à réduire les coûts élevés des équipements.
Le procédé d'enroulement vise à optimiser l'utilisation de l'espace et la capacité énergétique. La technologie de pré-cintrage actuelle façonne les électrodes selon une courbure spécifique, réduisant ainsi les contraintes lors de l'enroulement. La conception à plusieurs languettes de bobinage diminue la résistance interne.
La concurrence entre les procédés d'enroulement et d'empilage repose sur un équilibre entre efficacité et performance. À l'instar de la préférence pour les gâteaux roulés plutôt que les biscuits feuilletés, ces deux procédés doivent coexister dans différentes applications, évoluant par un perfectionnement mutuel. L'optimisation de la structure de l'enroulement permet d'améliorer la densité énergétique, tandis que l'utilisation d'un procédé hybride combinant empilage et enroulement permet d'accroître l'efficacité.
Conclusion
Le choix entre l'enroulement et l'empilage nécessite une évaluation complète du profil de décharge, de la charge thermique, des contraintes spatiales et des attentes en matière de cycle de vie.
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