Leybold coopère avec des fabricants pour développer des technologies de batteries

Rôle stratégique de la technologie du vide dans le développement de l'électromobilité

Dans la production de batteries lithium-ion, la technologie du vide est importante pour la qualité et la sécurité des différentes étapes du processus. Leybold, spécialiste du vide, soutient donc depuis de nombreuses années les fabricants de batteries lithium-ion dans leurs défis en matière de technologie des procédés et participe ainsi de manière significative au développement de l'électromobilité.

Contribuer à l'évolution de la situation

L'électromobilité est actuellement un sujet tendance dans un environnement de marché très dynamique. "Du point de vue de la technologie du vide, nous accompagnons donc aussi intensivement ce domaine depuis de nombreuses années", déclare le Dr Sina Forster, responsable du développement commercial chez Leybold GmbH. "Le fait de pouvoir contribuer à façonner les développements et les recherches actuels est donc incroyablement passionnant", ajoute le Dr Forster.

Selon elle, l'une des tâches essentielles consiste à déterminer le plus tôt possible les applications et les marchés potentiels du vide à partir des nouvelles technologies et des nouveaux développements. Le rôle stratégique de la technologie du vide consiste donc à permettre et à faire progresser certains développements. Par exemple, la conception de l'environnement sous vide est un facteur qui peut influencer positivement les processus. Le vide est généralement indispensable au remplissage d'électrolyte pour assurer un mouillage uniforme de la cellule avec l'électrolyte, mais aussi une atmosphère de remplissage pure.

Les batteries lithium-ion comme application de vide

Leybold a opportunément ciblé  sur les développements dans ce domaine et a identifié le processus de fabrication des batteries lithium-ion comme une application sous vide. Comme il y avait initialement peu d'informations sur le processus de fabrication des composants lithium-ion, l'entreprise a travaillé avec la Fédération allemande des ingénieurs (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V.). (VDMA) ainsi que la chaire d'ingénierie de production des composants d'E-Mobilité PEM à l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle pour mettre en place un processus de fabrication idéal-typique. Outre les batteries lithium-ion, Leybold se concentre également sur le développement des piles à combustible dans ce contexte. Des procédés sous vide pertinents apparaissent déjà ici, par exemple dans le revêtement de plaques bipolaires sous vide. Dans ce domaine, il est important d'observer les développements technologiques des prochaines années et de les soutenir par le biais de coopérations.

La technologie du vide est utilisée dans différentes étapes du processus de production des électrodes, mais aussi dans la recherche et le développement. À cette fin, Leybold travaille en étroite collaboration avec des fabricants de machines et d'équipements qui fournissent des installations de production aux fabricants de batteries. En outre, Leybold coopère avec des fabricants de batteries et avec des institutions qui mènent des recherches sur le développement des technologies de batteries.

Un  développement accru en Europe

Actuellement, la majorité de la production en série a toujours lieu en Asie. Cependant, de nombreux de recherche et de développement se déplacent vers l'Europe, ce qui signifie que l'UE, dont l'Allemagne en particulier, deviennent de plus en plus importants en tant que lieu de recherche et de production.

La technologie du vide est également utilisée dans la production de cellules de batteries, mais aussi dans des processus tels que l'application de matériaux actifs sur les électrodes. "D'une manière générale, l'air est un facteur perturbateur dans de nombreux environnements de production car les millions de particules et de molécules de gaz influencent négativement cette étape de production, voire la rendent impossible. Il faut donc éviter l’entrée de particules et de bulles d’air lors du mélange de la boue afin d'obtenir une boue de haute qualité. "La plupart des mélangeurs fonctionnent donc sous vide", explique le Dr Sina Forster.

Processus de sauvegarde du vide

Le vide est également indispensable pour le séchage afin d'éliminer les plus petits résidus de solvants et d'humidité. Sans le vide, le processus de séchage devrait être effectué à des températures beaucoup plus élevées et durerait beaucoup plus longtemps, ce qui aurait un impact négatif sur la qualité des électrodes. Dès que l'électrolyte est utilisé dans les étapes ultérieures du processus, le vide prend un aspect sécuritaire, car de nombreux électrolytes utilisés sont très réactifs et inflammables. Un bon vide est essentiel : d'une part, pour la pureté du processus, afin qu'aucune particule ou humidité ne pénètre dans la cellule pendant le remplissage d'électrolyte et le dégazage éventuel. Deuxièmement, fournir un environnement à faible réaction, sans oxygène ni humidité, par exemple, avec lesquels l'électrolyte pourrait réagir.

"Le plus grand défi est toujours le mélange de gaz à pomper - car en principe, tout ce qui est pompé et traité dans le processus est également transporté par la pompe à vide. Dans la production de cellules, cela concerne les solvants et les électrolytes, qui ont tendance à être toxiques et peuvent attaquer les pompes et l'huile de pompe", explique le Dr Sina Forster. "Mais des conditions ambiantes très chaudes ou très humides sont aussi des circonstances qui nous posent des défis", ajoute-t-elle. Dans ce cas les fabricants de batteries seraient appelés à assurer le refroidissement correct de la pompe ou à utiliser des condenseurs.

Bons résultats de séchage sous vide

Il existe un potentiel d'optimisation dans de nombreux domaines car il n'y a pas encore des processus établis qui sont manifestement efficaces. Par exemple, le séchage sous vide est un procédé spécifique au client, qui fait appel à la pression, à la température et à un gaz de traitement tel que l'azote. Afin d'obtenir de bons résultats de séchage à l'aide du séchage sous vide, des projets de recherche liés à l'industrie sont déjà en cours sous la direction du VDMA.

La détection des fuites joue également un rôle central dans la production du point de vue de la sécurité. Pour une longue durée de vie de la batterie, la cellule doit être absolument étanche. Un test d'étanchéité valide ne peut être effectué qu'en utilisant la détection des fuites par le vide. De cette façon, les plus petites fuites peuvent être détectées à l'aide d'un détecteur de fuites à l'hélium ou d'un spectromètre de masse. En revanche, des fuites non détectées réduiraient considérablement la durée de vie de la batterie ou provoqueraient une fuite de l'électrolyte hautement réactif.

Certains composants des batteries lithium-ion qui sont traités dans le vide sont toxiques. Afin de protéger l'environnement et la technologie du vide des substances nocives, la pompe à vide doit être capable de résister à ces gaz. D'autre part, les milieux toxiques doivent être conservés dans le processus et évacués en toute sécurité .

Les pompes sèches font gagner du temps et de l'argent

Les pompes à vide à fonctionnement à sec sont utilisées pour ces gaz toxiques. Les pompes à vide à joint d'huile sont plutôt inadaptées à ces applications, car l'huile de la pompe pourrait être attaquée ou contaminée par les gaz. En utilisant des pompes à compression sèche, les fabricants de batteries économisent des coûts et du temps, car autrement ils devraient changer fréquemment l'huile de la pompe. " Jusqu'à présent on utilisait de plus en plus de pompes à vide à joint d'huile -en particulier dans l'étape de remplissage et de dégazage de l’électrolyte. Maintenant nous les remplaçons par des pompes à vide à fonctionnement à sec chez de nombreux clients", résume le Dr Sina Forster.

Afin d'assurer une fiabilité suffisante du processus lors de la manipulation de gaz toxiques, on utilise des pompes hermétiques dans lesquelles même les plus petites quantités de gaz ne peuvent s'échapper. Il s'agit d'un facteur décisif, en particulier avec les électrolytes toxiques, où la sécurité du travail est également une priorité absolue.

Plus rapide et plus fiable grâce à la technologie du vide

Ainsi, la technologie du vide joue un rôle important dans le séchage, le remplissage d'électrolyte et le dégazage. "Le vide est essentiel dans les trois étapes du processus", souligne le Dr Sina Forster. Mais les étapes du processus en amont, telles que le mélange dans des mélangeurs sous vide, l'empilage avec des pinces à vide ou le conditionnement en aval, sont également traitées plus rapidement et de manière plus fiable grâce à la technologie du vide.

À l'avenir, l'influence d'un environnement sous vide pur ainsi que les spécifications pourront être encore mieux déterminées. Grâce au développement de feuilles d'électrodes marquées individuellement et pouvant être suivies tout au long du processus de production à l'aide de codes QR gravés au laser, l'influence des différents paramètres du processus sur la qualité des batteries peut être suivie avec précision.

Le vide assure la manipulation d'électrolytes toxiques

La technologie du vide joue également un rôle essentiel dans la sécurité lors de la production et de l'utilisation des cellules. Par exemple, la manipulation sûre d'électrolytes toxiques ne sera possible à l'avenir que dans des conditions de vide. Lors de l'utilisation dans une voiture électrique, nous nous fions à l'étanchéité de la batterie, qui peut être testée et garantie au mieux sous vide.

Il faut toutefois préciser que les processus sous vide nécessitent toujours plus d'énergie que sous pression atmosphérique. À cet égard, d'énormes progrès ont toutefois été réalisés ces dernières années en matière de pompes à faible consommation d'énergie, de sorte que nous utilisons aujourd'hui des pompes à vide très économiques dans la production de batteries. "Aujourd'hui, nous pouvons donc aborder les questions essentielles : Comment améliorer le débit, la sécurité et la qualité de la production cellulaire grâce à une conception efficace des systèmes de vide ? Et là aussi, nous ferons de nombreuses et importantes avancées dans le domaine de la technologie du vide au cours des prochaines années", déclare le Dr Sina Forster, en tirant un bilan positif.