La fabrication de batteries requiert une vigilance de tous les instants dans trois domaines : la sécurité, pour éviter tout risque d’explosion ou d’incendie, l’hygrométrie, pour prévenir la dégradation des composants, et la température, pour garantir les paramètres process de l’étape de formation & aging (première charge de la batterie) et contenir la hausse des températures dans les locaux qu’entraîneraient les charges thermiques apportées par les équipements process.
La batterie stocke l’énergie électrique sous forme chimique. Au sein de chaque cellule, des électrons circulent entre une électrode négative, l’anode (cuivre imprégné de graphite), et une électrode positive, la cathode (aluminium imprégné de nickel, de cobalt et de manganèse), dans un liquide conducteur contenant des sels de lithium, appelé électrolyte. Les batteries au lithium-ion se distinguent des batteries traditionnelles par une charge plus rapide, une durée de vie plus longue et une densité énergétique supérieure, conduisant à une meilleure autonomie.
COMPOSANTS D’UNE BATTERIE LITHIUM-ION
En immersion dans une salle propre anhydre
La production de batteries électriques nécessite la manipulation de produits hautement dangereux et explosifs, notamment dans la préparation de poudres, le processus séchage de la cathode avec l’évaporation du NMP ou lors de la distribution d’électrolyte.
Pour produire des batteries en toute sécurité, avec un maximum d’efficacité, il faut une salle propre et anhydre, une clean and dry room. Des solutions d’HVAC (chauffage, ventilation, climatisation, traitement de l’air) permettent de maintenir un taux d’hygrométrie très bas (HR* inférieure à 2 %, on parle de « point de rosée » situé entre -30 et -45°C), pour éviter que l’eau n’entre en contact avec ce métal sensible qu’est le lithium.
Chaque salle est dotée de capteurs de pression pour vérifier que l’air se déplace de la salle vers l’extérieur et jamais le contraire, de capteurs de température et de capteurs d’hygrométrie. L’atmosphère est ainsi sous contrôle en permanence dans une salle dotée d’une excellente étanchéité et d’un système aéraulique efficace et bien dimensionné.
Des solutions optimisées
Afin de garantir un environnement performant et sécurisé pour la production de batteries, Equans conçoit et réalise des salles propres anhydres conformes aux normes les plus exigeantes.
Protégées par une enceinte hermétique, elles sont placées sous contrôle continu et disposent d’une filtration d’air spécifique. Le taux d’humidité reste ainsi sous contrôle avec un balayage de l’air homogène dans toute la pièce et la gestion de la surpression par rapport aux salles adjacentes.
Comme le rappelle Alex Authier, Chef de projet conception au sein de la Direction du Développement chez Equans France : « La filtration, tout comme le fait de chasser l’humidité, sont des process très énergivores. Les salles anhydres représentent entre 20 et 30 % de la consommation énergétique d’une gigafactory ». C’est pourquoi, en amont du projet, les équipes d’Equans définissent avec le client le meilleur dimensionnement de l’enceinte, en vue d’optimiser la performance énergétique des installations. Afin d’obtenir un air très sec, l’humidité est supprimée par refroidissement, puis par l’intermédiaire de roues dessiccantes. « Là aussi, nous essayons de travailler sur des solutions efficaces via de la récupération d’énergie pour la régénération de ces roues dessiccantes pour réduire les consommations énergétiques », ajoute Alex Authier. Les mesures de température et d’hygrométrie permettent un ajustement en temps réel des conditions de soufflage pour maintenir les conditions exigées dans les salles anhydres et propres.
“ La filtration, tout comme le fait de chasser l’humidité, sont des process très énergivores. Les salles anhydres représentent entre 20 et 30 % de la consommation énergétique d’une gigafactory. ”
La production de batteries s’appuie sur plusieurs dispositifs complémentaires, parmi lesquels l’installation de stockage et de distribution d’électrolyte.
Ce solvant potentiellement explosif au contact de l’humidité requiert une manipulation sous des ciels gazeux (avec de l’azote par exemple). Dans un environnement humide, le sel de lithium contenu dans l’électrolyte peut, en effet, se transformer en acide fluorhydrique et endommager les propriétés physico-chimiques du produit ainsi que certaines parties de l’installation. Aussi faut-il veiller à ce que le volume d’électrolyte versé à la fin du processus de fabrication de la batterie n’ait pas été en contact avec l’humidité de l’air.
Grâce à sa maîtrise des distributions de chimies acquise de longue date dans la micro-électronique, Equans est en mesure de concevoir, fabriquer et mettre en service des systèmes de distribution et de stockage de l’électrolyte, en alliant performance, efficacité et sécurité. Et ce, en total respect avec la règlementation environnementale et ATEX du pays concerné.
Un autre point clé de la fabrication des batteries concerne le NMP. Philippe Humeau, responsable de l’ingénierie des procédés chez Equans France, en détaille le rôle : « Pour étaler de manière uniforme le slurry, une sorte d’encre contenant les métaux rares, on utilise un solvant, le NMP. Après le process d’enduction de cette encre sur un film d’aluminium, le feuillard enduit circule dans un four de séchage à une température comprise entre 100 et 130°C pour évaporer le solvant ».
Equans a mis au point une technologie innovante pour traiter l’air, récupérer ce NMP, réinjecter l’air épuré dans le four et capter l’éventuel excédent de chaleur pour alimenter, par exemple, les systèmes de régénération des dispositifs de déshumidification des salles blanches. Ce système de recyclage de NMP a d’ailleurs fait l’objet d’un brevet PCT, déposé par Equans.
“ Pour étaler de manière uniforme le slurry, une sorte d’encre contenant les métaux rares, on utilise un solvant, le NMP. Après le process d’enduction de cette encre sur un film d’aluminium, le feuillard enduit circule dans un four de séchage à une température comprise entre 100 et 130°C pour évaporer le solvant. ”
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