Dans la construction de voitures électriques ce sont aujourd'hui presque uniquement des batteries lithium-ion à électrolyte qui sont utilisées. Les alternatives comme les batteries solides ou d'autres composants chimiques n'ont pas encore atteint la maturité industrielle nécessaire.
La production de batteries lithium-ion est un processus très complexe et sensible impliquant des coûts de matériaux et d'énergie très élevés. Le processus de fabrication doit en conséquence être très efficace, avec des volumes élevés et un minimum de rebut. L'objectif principal de l'industrie des batteries est d'atteindre une densité d'énergie gravimétrique élevée (Wh/kg) et donc un kilométrage élevé (autonomie), ce qui se reflète directement dans l'autonomie des voitures électriques. Il est de plus nécessaire de développer et de construire des éléments de batteries répondant aux exigences élevées de l'industrie automobile en matière de sécurité, de performance et de durée de vie. Le laser en tant qu'outil offre ici des avantages inégalés sur le plan de la fiabilité des processus, de la précision et de la performance.
Trois types ou formats de batteries au lithium-ion sont utilisés dans l'électromobilité. Le principe de fonctionnement de tous ces types est essentiellement le même. Les principales différences résident dans la méthode de construction, les exigences et les matériaux utilisés.
La liaison des éléments individuels aux modules ou aux packs s'effectue par la soudure dite des jeux barres. Le jeu de barres désigne le rail conducteur. Les éléments prismatiques ou les modules d'éléments peuvent être connectés avec des matériaux du même type (Al/Al ou Cu/Cu), mais aussi avec des composés mixtes (par exemple Al/Cu). Il est important que les connexions soient mécaniquement solides, car elles sont soumises à des vibrations et à la chaleur dans le véhicule. Une connexion électrique avec une résistance des plus faibles doit en même temps être durablement assurée. Le processus de soudage doit en outre produire le moins de projections possible. La reproductibilité, un apport de chaleur minimal et des profondeurs de pénétration de la soudure définies jouent également un rôle important.
Pour le découpage des films de protection des batteries, il existe deux domaines d'application. D'un côté, l'incision (« slitting ») c'est-à-dire la coupe longitudinale continue ou la division de la bobine mère (film d'électrode enrobé sur une ou deux faces). Cette dernière est découpée en plusieurs sous-bobines. Le laser est ici dans une position fixe ; le film de protection passe en continu à travers le faisceau laser d'un rouleau à l'autre.
De l'autre, la découpe des contours du film d'électrode enrobé. Dans ce deuxième processus, des électrodes (anodes/cathodes) sont découpées dans la bobine selon la forme et le nombre requis. Associé à des optiques scanner et des axes mobiles ou d'autres lasers pour élargir les champs de balayage, le laser découpe le film d'électrode selon la forme requise. La vitesse de découpe des contours est supérieure à 1 m/s. L'épaisseur du film (film et revêtement double face avec matière active) se situe entre 100 et 250 µm. Pour ces deux applications, les lasers TRUMPF répondent aux exigences élevées des fabricants de batteries en matière de vitesse de coupe, de zone affectée thermiquement, de formation de bavures et de formation de particules ou de projections.
Après le processus de rechargement, la matière active sur les films d'électrode doit être séchée. Les systèmes de chauffage industriels VCSEL peuvent prendre en charge cette étape dans la mesure où les sources laser reposant sur des matrices de diodes VCSEL sont capables de réchauffer de grandes surfaces avec un rayonnement infrarouge directionnel sélectif en longueur d'onde. En diminuant la longueur de la chaîne de séchage, l'espace occupé par les fours de séchage est considérablement réduit, et la solution permet également d'augmenter la vitesse du processus et d'économiser des coûts et de l'énergie.
Les films d'électrodes sont de très fines feuilles de cuivre et d'aluminium (6-14 µm d'épaisseur) qui servent de films porteurs pour la matière active servant d'anode et de cathode. Les films de protection sont soudés ensemble en pile ou en bobine au niveau des zones de contact respectives (de 30 à 60 couches) pour former une anode et une cathode. Avec nos lasers, un accès unilatéral à la pièce est assuré. Des piles de plus de 60 films de protection peuvent être soudées de manière fiable et avec un minimum de projections.
Les lasers TRUMPF scellent le carter de batterie prismatique (Can) équipé du paquet d'électrodes, qui se compose généralement d'un boîtier de batterie embouti (0,6 - 0,8 mm d'épaisseur de paroi), avec le couvercle du carter (Cap) (1,0 - 1,8 mm étanche aux fluides), sans pores, fissures ou boursoufflures de soudure indésirables. Le processus de soudage avec une optique fixe guidée par un axe, avec des vitesses de soudage de 10-12 m/min est à la pointe de la technologie. La technologie BrightLine Weld de TRUMPF assure un soudage à faibles projections et une stabilité maximale du processus. En combinaison avec une optique scanner de focalisation programmable et le système de capteurs, une solution hautement dynamique avec des vitesses de soudage de plus de 25 m/min est également possible.
Les modules de batteries sont constitués de plusieurs éléments de batteries reliés entre eux pour former une unité d'alimentation dans un boîtier de module. Le boîtier du module remplit une fonction légèrement différente selon le format des éléments. En règle générale, on utilise ici des alliages d'aluminium et parfois aussi des aciers inoxydables, qui ont une résistance à la traction moyenne à élevée. Nos lasers IR de forte puissance les soudent sans fissures ni déformation avec une résistance très élevée.
Pour les éléments ou les modules de batteries, il existe un grand nombre d'applications pour le nettoyage et la structuration avec des lasers. Cela commence au niveau de l'électrode, où la matière active est partiellement éliminée ou structurée, et se termine au niveau de l'élément ou du boîtier du module de batteries, où les surfaces sont rendues rugueuses pour une meilleure adhérence, ou bien le vernis isolant, les taches d'acide et les couches d'oxydation sont enlevés. Toute notre gamme de lasers à impulsions courtes et ultracourtes est utilisée à ce niveau.
Les lasers de marquage TRUMPF marquent les éléments sensibles de la batterie et leurs boîtiers avec précision et sans aucun contact. Le marquage noir, par exemple, permet de marquer tous les composants avec un contraste très élevé, une bonne lisibilité et une résistance très élevée à la corrosion. Cette durabilité est également une condition préalable à la traçabilité et à la documentation des composants exigées par la loi.
Vous aimeriez savoir comment nous pouvons accompagner votre production de manière optimale sur le chemin de l'électromobilité ? Profitez de notre savoir-faire étendu de fournisseur de technologie pour les OEM, les TIER, les fabricants d'éléments et les intégrateurs. Nous sommes, de plus, partenaire de nombreuses initiatives de recherche publiques et privées, et nous développons conjointement de nouvelles solutions technologiques pour la fabrication de batteries.
Qu'il s'agisse de lasers à longueur d'onde verte pour le soudage de matériaux en cuivre, de la mise en forme du faisceau (BrightLine Weld) pour le soudage sans projections ni pores de l'aluminium et du cuivre, ou de systèmes de capteurs spéciaux pour l'Assurance qualité et la surveillance du processus, TRUMPF propose d'innombrables solutions de fabrication innovantes pour la production d'éléments de batteries. Vous bénéficiez de nos offres technologiques complètes avec un large choix de sources laser, d'optiques, de capteurs et un grand savoir-faire en matière d'applications.
La technologie BrightLine Weld de TRUMPF est la clé du soudage laser avec peu de projections des jeux de barres, des connecteurs souples, des Can-Caps ou des boîtiers de modules avec des lasers IR de haute puissance. En outre, nos lasers TruDisk à longueur d'onde verte sont prédestinés aux matériaux hautement réfléchissants comme le cuivre - jusqu'à 2 kW en régime continu ou une puissance moyenne pulsée de 400 W. Des profondeurs de pénétration de la soudure définies et constantes peuvent ainsi être réalisées et garantir des processus reproductibles. Avec le soudage à conduction thermique, vous bénéficiez également d'un apport de chaleur minimal dans la pièce. Nos systèmes de capteurs (VisionLine OCT et la surveillance de la profondeur de pénétration de la soudure) ont été spécialement développés pour une production automatisée et hautement productive. Vous pouvez ainsi toujours compter sur une documentation et une traçabilité complètes.
Avec plusieurs sorties laser par laser, la conception de notre laser TruDisk permet une utilisation optimale du laser en temps partagé et en fonctionnement redondant. Grâce à notre régulation de la puissance laser, vous bénéficiez en plus d'une puissance laser constante sur la pièce.
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Profitez de nos conseils d'experts et de notre réseau mondial de laboratoires et de services. Que vous ayez besoin de services ou de développement d'applications, nous sommes là pour vous. Avec le Condition Monitoring Service, les experts et les algorithmes de TRUMPF surveillent vos lasers dans une démarche de maintenance prédictive, en particulier pour les lignes de production sensibles et importantes.
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