Des gants de velours pour batteries

Depuis 2009 déjà, le gouvernement encourage la mobilité électrique. Le développement et la fabrication de la technologie des batteries avancent également : l’économie et la politique travaillent à la mise en place et au développement du savoir-faire en matière de développement et de fabrication. Le Dr Michael Meister, secrétaire d’État parlementaire de la ministre fédérale de l’Éducation et de la Recherche, a confirmé en 2021 lors du « Batterieforum Deutschland » qu’une production économique de cellules de batteries était possible en Allemagne. Des annonces de constructeurs automobiles allemands concernant des coopérations, des laboratoires de recherche propres et des essais de fonctionnement pour la production en série le confirment. Outre l’utilisation dans les voitures électriques, les batteries sont tout aussi importantes pour la vie quotidienne. De la visseuse sans fil au smartphone en passant par les vélos électriques, l’électricité « to go » est désormais incontournable. L’application stationnaire est tout aussi pertinente, par exemple pour le stockage intermédiaire de l’énergie produite à partir de sources renouvelables.

Chaque application représente des défis spécifiques pour la technologie de batteries. Pour la fabrication toutefois, l’utilisation ultérieure est secondaire. En effet, toutes ces situations exigent de concilier le plus grand soin et la précision avec une fabrication compétitive des cellules. Les petits assistants qui permettent de transporter délicatement les cathodes, anodes, séparateurs et cellules pouch sensibles sont incontournables : préhenseurs spéciaux et effecteurs de fin de la société J. Schmalz GmbH.

Deux pâtes et deux films métalliques constituent la base de chaque batterie de traction. Pour l’anode, une masse de graphite est étalée sur un film de cuivre. La cathode se compose d’un film d’aluminium sur lequel est appliqué un mélange d’oxydes métalliques de nickel, de cobalt, de manganèse et de lithium. Les films enduits sur les deux faces sont séchés, calandrés et découpés. Ils sont alors prêts à être empilés. « À cette fin, nous recommandons les préhenseurs spéciaux STGG dans la mesure où ils peuvent manipuler les films sensibles de manière hautement dynamique », explique le Dr Maik Fiedler, directeur des divisions Automation et manipulation par le vide. Le STGG saisit tour à tour l’anode, le séparateur, la cathode et à nouveau le séparateur pour les déposer les uns sur les autres. Ici, la vitesse est tout aussi importante que le positionnement précis. Ce faisant, le préhenseur ne doit laisser aucune empreinte ni contaminer le revêtement sensible. « Le nom de notre solution est PEEK », affirme le Dr Fiedler. À partir de polyétheréthercétone, Schmalz fabrique un matériau chimiquement très résistant, une ventouse plate avec de nombreux petits trous qui adhère à toute la surface. La surface plane minimise la pression sur la surface. La fonction de soufflage active du STGG accélère le processus Pick & Place, tandis que le volume de flux élevé empêche les résidus de particules sur les électrodes. Une génération pneumatique du vide sans pièces déplacées rend le préhenseur spécial adapté pour les salles blanches et de séchage.

Le préhenseur spécial STGG convient également pour la séparation et la dépose des films séparateurs fins. Les séparateurs sont généralement constitués de matières plastiques ou de non-tissés à pores très fins et flexibles. Ils séparent physiquement l’anode et la cathode et empêchent les courts-circuits. En même temps, ils sont perméables aux ions positifs du lithium qui circulent de l’anode vers la cathode lors de la décharge et qui repartent lors de la charge. « Le STGG fonctionne avec un volume de flux élevé et saisit ainsi en toute sécurité même les matériaux poreux », explique le Dr Fiedler. La surface conforme à la norme ESD évacue en outre de manière fiable les charges électrostatiques et protège ainsi contre les adhésions indésirables.

Une fois la pile de cellules terminée, les fils conducteurs qui dépassent sont raccourcis et la pile est emballée dans un film pouch. Scellée de tous les côtés, ladite cellule pouch est prête pour l’injection d’électrolyte. « Les cellules pouch sont sensibles et ne doivent en aucun cas être déformées par le préhenseur. En outre, leur forme peut varier en fonction de l’utilisation », explique le Dr Fiedler. Le préhenseur léger SLG est adapté pour toutes les géométries. Schmalz le fabrique de manière additive, après que le client l’ait configuré en ligne, ce qui garantit des délais de livraison rapides. Les ventouses structurées des séries SFF ou SFB1 sont utilisées pour que le film composite en aluminium de la cellule pouch ne soit pas embouti lors de la préhension. Les deux variantes combinent des surfaces d’appui sous forme d’alvéoles sur la surface de ventouse avec une lèvre d’étanchéité souple et particulièrement plate. Cela leur permet de saisir en douceur, mais avec une grande force d’aspiration, sans déformer la surface de la cellule pouch.

Le vide est tout aussi important que la matière, la géométrie et la taille du préhenseur. La manière et le lieu où il est généré sont la clé d’une manipulation à la fois très dynamique et absolument fiable. « Nos générateurs de vide décentralisés de la série SCPM répondent à toutes ces exigences. Ils sont compacts et assurent à la fois une puissante aspiration », affirme le Dr Fiedler. Ils sont si petits qu’ils peuvent être montés à proximité de la ventouse, minimisant ainsi les pertes de puissance. La vanne de l’éjecteur compact se ferme en l’absence de courant. Ainsi, le préhenseur maintient la cellule de batterie de manière fiable, même en cas de panne de courant. « Un autre avantage est que les utilisateurs peuvent intégrer des fonctions spéciales, telles qu’une génération du vide redondante ou un système de détection des pièces redondants, au système », complète le Dr Fiedler.

Le système de manipulation approprié place les différentes cellules dans un module où elles sont connectées en série ou en parallèle. Plusieurs modules forment un pack de batteries qui, selon le fabricant et la catégorie de véhicule, réunit moins ou plus de cellules pouch.

L’avantage des cellules pouch est qu’elles sont plates, ce qui permet une meilleure diffusion de la chaleur. Elles sont polyvalentes et utilisent de manière optimale le volume disponible dans un module de batterie. Leur inconvénient : l’enveloppe est fragile et ne protège pas les anodes, les cathodes et les séparateurs des influences mécaniques. De plus, elles risquent de gonfler, par exemple en raison du processus de vieillissement. C’est pourquoi des cellules cylindriques hard-case sont souvent utilisées dans certaines voitures électriques ainsi que dans l’électronique grand public, les vélos électriques et les outils. « Pour la manipulation des cellules rondes dans le montage de modules, nous devons proposer aux utilisateurs des préhenseurs qu’ils peuvent configurer librement. En fonction du diamètre des différentes cellules, de leur disposition et du nombre de cellules à saisir », décrit le Dr Maik Fiedler. « Grâce à l’impression 3D, c’est possible sans problème à partir d’un lot de taille un ». Si l’utilisateur choisit des ventouses en HT1, un matériau spécial à faible empreinte, il peut saisir les cellules directement au niveau du pôle ; le matériau fait également office d’isolant. Ainsi, les cellules chargées sont également positionnées avec fiabilité. Un volume de flux élevé est, ici encore, important pour un procédé Pick-&-Place rapide et propre. « Les générateurs de vide intégrés sont avantageux sur ce point également. Les éjecteurs sont dotés d’une soupape de sécurité qui maintient le vide même sans électricité pour une manipulation plus sûre », ajoute le Dr Fiedler. Si les cellules rondes doivent être saisies dans le sens de la longueur, Schmalz recommande les préhenseurs magnétiques SGM dans leur version haute performance. Un aimant permanent sécurise la manipulation. « Ils sont compacts, légers et développent malgré tout des forces de préhension élevées », affirme Dr Fiedler pour citer quelques avantages. Ceux-ci assurent la préhension tant que l’enveloppe de la batterie est ferromagnétique.

Le processus est presque terminé : les films sont désormais des cellules. Les cellules sont regroupées en modules, lesquels sont maintenant réunis en packs de batteries et complétés par des plaques de refroidissement, des câblages et de l’électronique. « La flexibilité est d’une importance capitale. Les géométries de mémoire peuvent être différentes, tout comme les structures de surface », explique Dr Maik Fiedler. Même lorsque les modules sont lourds, ils ne doivent pas être endommagés par le préhenseur, le vide s’en charge. Le préhenseur de surface FQE est modulaire et idéal pour les applications Pick-&-Place entièrement automatisées. Le préhenseur de surface FMP est tout aussi universel. Sa mousse d’étanchéité s’adapte également aux surfaces structurées. Les deux assurent des coûts d’exploitation réduits grâce à leur génération du vide intégrée et efficace du point de vue énergétique.

Pour les étapes de travail non automatisées, des aides au levage manuelles telles que le système de manutention par le vide JumboFlex soulagent les monteurs. Il peut s’agir des modules de refroidissement ou des plaques de recouvrement qui doivent être placées manuellement sur les boîtiers de batterie à la fin. Le levier de manœuvre Safety+ offre une sécurité supplémentaire : le concept à deux mains pour le relâchement protège les pièces particulièrement sensibles lors de la dépose. En outre, la vitesse d’abaissement peut être réduite.

Le pack de batteries est maintenant prêt pour le contrôle de l’étanchéité ; le carter et le système de refroidissement ne doivent présenter aucune fuite. Le système de gestion de la batterie reçoit le logiciel le plus récent, adapté au type de voiture, et le premier processus de charge/décharge a lieu sous haute surveillance. Le processus est terminé lorsque le câblage et l’électronique sont en ordre et que la gestion de la batterie, ainsi que tous les sous-composants, fonctionnent. Après l’étiquetage avec des avertissements et des identifiants, les batteries sont prêtes pour le transport. « Transformer la poudre en accumulateur d’énergie est un processus long et laborieux. Nous savons comment réussir la manipulation à chaque étape du processus et nous développons des solutions sur mesure pour nos clients », affirme le Dr Maik Fiedler.