La fabrication de batteries est au cœur de la politique industrielle et climatique mondiale. Avec la demande mondiale croissante de systèmes de stockage d'énergie pour la mobilité électrique et les applications stationnaires, l'importance d'une production efficace, durable et indépendante des régions augmente également.
En particulier, les conditions-cadres de la production de batteries posent d'immenses défis aux entreprises : La dépendance à des matières premières comme le lithium, le cobalt et le nickel engendre des tensions géopolitiques. En même temps, les chaînes d'approvisionnement deviennent de plus en plus fragiles en raison des crises mondiales et de l'augmentation des coûts de transport. L'Europe est donc confrontée à la tâche de construire une chaîne de valeur résiliente qui englobe à la fois l'extraction de matières premières, le traitement ultérieur et le recyclage - après tout, les batteries usagées sont la ressource de lithium la plus abondante en Allemagne. De plus, les processus de production doivent pouvoir s'adapter de manière flexible à de nouveaux concepts de batteries, tels que les batteries à état solide ou à ions sodium, pour des raisons de sécurité d'investissement.
Face à ces défis, il devient clair que l'avenir de la fabrication de batteries en Europe ne peut être assuré que par l'utilisation des technologies les plus modernes. En particulier, la technologie laser offre des solutions pour répondre aux exigences centrales - efficacité, précision et durabilité. Que ce soit dans le traitement des matériaux, la fabrication d'électrodes ou le recyclage : sans des processus laser innovants, une production de batteries compétitive et durable en Europe est à peine envisageable.
Préparation des matières premières et perfectionnement des matériaux comme base
Des matériaux comme le lithium et le nickel sont toujours des composants des cellules de batterie actuelles. Leurs propriétés chimiques et physiques permettent des densités d'énergie élevées et de longues durées de vie, mais leur extraction et leur traitement posent des problèmes complexes.
Cependant, les technologies des batteries évoluent rapidement, avec pour objectif de minimiser l'utilisation de matières premières rares et coûteuses. CATL a déjà présenté en 2021 une batterie à ions sodium qui se passe complètement de lithium et de cobalt. En avril 2024, le fabricant de batteries chinois a introduit une batterie lithium-fer-phosphate (LFP) sans cobalt avec une autonomie de plus de 1 000 kilomètres. En seulement dix minutes, elle peut charger suffisamment d'énergie pour 600 kilomètres, ce qui correspond à une vitesse de charge d'un kilomètre par seconde.
Toyota prévoit d'utiliser des batteries à état solide dans des véhicules hybrides à partir de 2025. Nissan a mis en service au Japon une installation de production de prototypes pour des batteries à état solide laminées. Panasonic a présenté une batterie à état solide pour drones. VW et Mercedes, Ford et BMW sont sur le point d'introduire des batteries à état solide ou ont établi des partenariats stratégiques.
Un point d'approche essentiel pour les nouvelles technologies de batteries est le perfectionnement des matériaux à l'échelle nanométrique, où les matières premières sont spécifiquement préparées et fonctionnalisées pour maximiser leur performance dans les batteries. Cela fait l'objet de recherches au département de technologie de surface et d'ablation de forme de l'Institut Fraunhofer pour la technologie laser. Les technologies laser modernes permettent des interventions précises dans la structure des matériaux tout en minimisant la consommation de ressources.
Un autre exemple de l'utilisation réussie des technologies laser se trouve dans la collaboration entre le Fraunhofer ILT, la chaire de technologie laser LLT de la RWTH Aachen, TRUMPF et le synchrotron à électrons allemand DESY. Grâce à l'utilisation des rayons X d'un accélérateur de particules, des aperçus plus profonds des processus de soudage laser ont pu être obtenus. Il a été démontré que l'utilisation de lasers à longueur d'onde verte améliore l'utilisation des matériaux et réduit le gaspillage. Ces découvertes offrent non seulement des avantages technologiques, mais contribuent également à une fabrication plus durable.
« Ces projets montrent que la technologie laser innovante peut non seulement relever les défis de la préparation des matières premières, mais aussi permettre une production de batteries durable et compétitive en Europe », déclare Dr. Alexander Olowinsky, chef de département de l'assemblage et de la séparation au Fraunhofer ILT.
Fabrication d'électrodes : Innovations pour une production durable
Le revêtement des films conducteurs (cuivre ou aluminium) avec les matériaux d'électrode pour l'anode et la cathode, suivi de leur séchage, sont des étapes cruciales qui influencent à la fois la densité d'énergie et la durée de vie des cycles des batteries. Cependant, les méthodes de séchage conventionnelles basées sur des fours à convection ont une consommation d'énergie considérable et nécessitent beaucoup d'espace, ce qui limite la durabilité et l'efficacité de la production de batteries.
Le projet IDEEL (Mise en œuvre de processus de séchage laser pour une production de batteries lithium-ion économique et écologique) financé par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche montre comment le séchage laser résout ces défis : pour la première fois, le séchage des anodes et des cathodes a été réalisé dans un procédé rouleau à rouleau à l'aide d'un laser à diodes haute performance. Cette méthode réduit considérablement la consommation d'énergie, double simultanément la vitesse de séchage et réduit de moitié l'espace nécessaire.
« Le séchage laser permet non seulement une gestion de processus plus efficace, mais contribue également à améliorer de manière significative le bilan CO₂ de la production de batteries », explique Dr. Samuel Moritz Fink, responsable de groupe des procédés de couches minces au Fraunhofer ILT. Fink et son équipe ont développé, en collaboration avec les partenaires du projet, un module de séchage laser avec optique adaptée et surveillance des processus, garantissant un séchage uniforme. Cette approche offre également de la flexibilité : les fours à convection existants peuvent être modernisés avec la technologie laser, facilitant ainsi l'implémentation dans les lignes de production existantes.
Dans un autre projet de recherche, le Fraunhofer ILT utilise une optique multibeam spécialement développée. Celle-ci divise le rayonnement laser en plusieurs faisceaux partiels qui traitent simultanément un ruban de 250 millimètres de large d'une anode de batterie lithium-ion. Cette structuration haute précision augmente la densité d'énergie et la capacité de charge rapide.
La fabrication d'électrodes bénéficie également de l'intégration de l'intelligence artificielle dans le processus de fabrication. Des chercheurs du Fraunhofer ILT examinent actuellement comment des systèmes basés sur l'IA peuvent être utilisés pour optimiser les paramètres de processus. De tels systèmes pourraient non seulement améliorer la qualité et la productivité, mais aussi poser les bases d'une fabrication autonome.
Assemblage de cellules : Précision et efficacité grâce à des technologies innovantes
En plus du séchage des électrodes, la connexion précise des matériaux d'électrode joue également un rôle central dans la performance et la fiabilité des batteries. Ici, le soudage laser microscopique s'est établi comme une technologie clé. Il permet un assemblage sans contact et hautement précis de matériaux comme le cuivre et l'aluminium, qui sont essentiels pour les électrodes de batterie. Grâce à la faible charge thermique, la chimie délicate de la cellule reste intacte, tandis que la conductivité électrique est optimisée par la réduction des résistances de contact.
Le soudage laser microscopique offre une combinaison de flexibilité et d'efficacité que les méthodes de soudage traditionnelles ne peuvent pas atteindre.
Les exigences en matière de micro-soudage laser varient selon le format des cellules, chaque type de cellule présentant des défis spécifiques en matière de contact. Les cellules cylindriques nécessitent une profondeur de soudure précise pour garantir à la fois la conductivité électrique et éviter les dommages dus à la surchauffe. Le contact avec le pôle négatif est particulièrement exigeant, car une charge thermique trop élevée pourrait endommager le joint en polymère sensible, entraînant une fuite de l'électrolyte. Pour les cellules pouch, qui se distinguent par leur conception flexible et leur haute densité énergétique, il est essentiel d'éviter les soudures à travers les films sensibles.
Un développement prometteur dans l'assemblage des cellules est le projet XProLas, mis en œuvre par TRUMPF en collaboration avec le Fraunhofer ILT et d'autres partenaires. L'objectif est de développer des sources de rayons X compactes, alimentées par laser, qui permettent un contrôle qualité sur site directement chez le fabricant, au lieu d'utiliser de grands accélérateurs de particules comme auparavant. Cette technologie permet d'analyser les cellules de batterie en temps réel, ce qui permet de surveiller précisément à la fois les processus de charge et de décharge ainsi que la qualité des matériaux. En particulier, cette méthode ouvre de nouvelles possibilités pour l'examen du matériau cathodique, qui détermine en grande partie la performance et la durabilité d'une batterie. « Grâce à l'utilisation de sources de rayons X brillantes, nous pouvons détecter les impuretés et les défauts matériels à un stade précoce, ce qui permet de réduire considérablement les délais de développement », explique Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, chef de département Laser et Systèmes Optiques au Fraunhofer ILT.
Ici encore, l'intégration de l'intelligence artificielle ouvre des potentiels supplémentaires : l'IA peut surveiller et ajuster les paramètres de processus en temps réel. Cela permet de détecter et de corriger les écarts à un stade précoce, ce qui constitue la base d'une fabrication autonome. La vision d'une production « First-time-right », où tous les composants sont assemblés sans erreur lors du premier passage, se rapproche ainsi.
Production de modules et de packs : efficacité et précision grâce aux technologies laser
Ensuite, les cellules individuelles sont reliées pour former des modules ou des packs. À ce niveau, la précision joue un rôle décisif, car l'intégration de plusieurs soudures est nécessaire sans augmenter la charge thermique des cellules sensibles. Les processus laser comme le micro-soudage permettent une adaptation sur mesure à ces exigences.
Une des innovations centrales du Fraunhofer ILT est le développement de procédés permettant de joindre l'aluminium et le cuivre – deux matériaux ayant des propriétés physiques très différentes – de manière sûre et précise. Grâce à un guidage de faisceau laser de pointe, la profondeur de soudure peut être contrôlée pour ne pas endommager les cellules sensibles.
« Cette technologie est essentielle pour la production de modules et de packs qui doivent fonctionner de manière fiable dans des conditions extrêmes, telles que de forts courants et des charges thermiques », explique Olowinsky. Un exemple en est le soudage laser de grandes cellules cylindriques, qui a été développé en collaboration avec des partenaires comme EAS Batteries GmbH à l'institut d'Aix-la-Chapelle. L'accent est mis sur un câblage stable et durable des cellules pour garantir une longue durée de vie et un faible taux de défaillance.
En plus du soudage laser, le brasage laser s'est établi, en particulier pour la connexion de composants sensibles à la chaleur. Ce procédé fonctionne à des températures plus basses que les procédés de soudage traditionnels, préservant ainsi l'électronique sensible à l'intérieur des modules. Cela augmente non seulement la fiabilité des packs de batteries, mais contribue également à l'efficacité énergétique de la production.
Gestion des batteries et intégration des capteurs
La gestion des batteries est l'un des défis centraux des systèmes de stockage d'énergie modernes. La sécurité, la durabilité et la performance des batteries en dépendent largement – et, en fin de compte, l'acceptation de la mobilité électrique. Les avancées dans l'intégration des capteurs et l'utilisation de l'IA offrent ici des possibilités transformantes pour répondre à ces exigences.
Traditionnellement, les batteries sont surveillées à un niveau macroscopique, ce qui ne fournit que des aperçus limités des processus complexes à l'intérieur des cellules. Ici, l'intégration de capteurs pendant la fabrication offre de nouvelles possibilités. Les chercheurs du Fraunhofer ILT impriment des capteurs directement sur les composants ou intègrent même des appareils de mesure intelligents. Ces capteurs permettent une surveillance en temps réel, comme la mesure des températures, des forces ou même des changements chimiques à l'intérieur des batteries.
« Avec des capteurs fabriqués de manière additive, nous pouvons surveiller en continu l'état des modules de batterie et réagir rapidement à d'éventuelles erreurs », explique Samuel Fink. Ces capteurs ne mesurent que quelques micromètres d'épaisseur, sont précis et en même temps résistants aux contraintes mécaniques et thermiques, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans les batteries et les modules de batterie. Leur capacité à fournir des données en continu permet une maintenance prédictive, qui détecte les défauts potentiels avant qu'ils ne surviennent.
Cependant, l'intégration de capteurs à elle seule ne suffit pas à réaliser une maintenance prédictive. Les capteurs peuvent détecter des changements dans la chimie des cellules, tandis que les algorithmes d'IA analysent ces données et font des prévisions sur la durée de vie des cellules. Des chercheurs du département « Data Science et Mesure » au Fraunhofer ILT développent de tels algorithmes basés sur l'IA, qui analysent en temps réel de grandes quantités de données provenant des capteurs. Ces systèmes permettent également d'ajuster dynamiquement les processus, par exemple en optimisant les profils de température pendant l'assemblage des cellules ou en ajustant les paramètres de soudage laser.
Recyclage et réutilisation
Avec le boom de la technologie des batteries, la nécessité de stratégies durables pour la récupération de matières premières précieuses augmente également. Une économie circulaire efficace est indispensable pour réduire la dépendance aux matières premières primaires tout en minimisant les impacts environnementaux de la fabrication des batteries.
Dans le projet européen ADIR, le Fraunhofer ILT développe avec huit partenaires de projet de trois pays un concept de recyclage viable pour les appareils électroniques. Dans le projet ACROBAT, un concept pour le recyclage des batteries au lithium-fer-phosphate doit être développé avant qu'elles ne pénètrent massivement le marché. L'objectif du projet est de récupérer plus de 90 % des matériaux critiques. En collaboration avec des partenaires comme Accurec Recycling, le Fraunhofer ILT travaille sur des procédés de séparation et de traitement innovants qui sont à la fois écologiquement et économiquement durables. Les experts en laser d'Aix-la-Chapelle développent ici une méthode de caractérisation en ligne pour évaluer précisément la qualité du matériau actif.
L'analyse par spectroscopie laser (LIBS) permet l'identification et la séparation précises de compositions matérielles complexes. Les chercheurs souhaitent adapter cette technologie pour le recyclage des batteries usagées afin d'améliorer la récupération de métaux tels que le cobalt et le tantale. Ici encore, l'intégration de l'IA peut analyser en temps réel les grandes quantités de données provenant des mesures laser et en déduire des optimisations de processus.
Cette surveillance basée sur l'IA permet un ajustement dynamique des paramètres de recyclage, réduisant ainsi les déchets et augmentant la qualité des matières premières recyclées.
Conclusion et perspectives
La production de batteries est au cœur de la transition vers la mobilité électrique et donc au centre des innovations qui allient efficacité, durabilité et excellence technologique. Les technologies et développements présentés le long de la chaîne de production montrent comment les procédés laser les plus modernes peuvent ouvrir la voie à une industrie des batteries durable et compétitive – de la préparation des matières premières à la fabrication des électrodes, en passant par l'assemblage des cellules et le recyclage.
En même temps, les systèmes d'analyse et de contrôle basés sur l'IA créent une nouvelle dimension du contrôle des processus, améliorant la qualité de production et la durabilité tout en réduisant davantage les coûts de production.
À l'avenir, des boucles de régulation basées sur l'IA pourraient permettre une production autonome, où les processus s'adaptent en temps réel aux conditions modifiées. De plus, les sources de rayons X alimentées par laser et les technologies de caractérisation en ligne ouvrent de nouvelles possibilités pour l'assurance qualité et l'analyse des matériaux.
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