Les contrôles à mener pour s’assurer de la qualité d’une batterie vont de la caractérisation des matériaux à la vérification de l’assemblage des modules. « En amont de la production, on utilise tout un panel de techniques pour aller loin dans la science des matériaux, les composants des particules, leurs formes, leurs éléments, leurs plans cristallographiques, détaille Christophe Mille, le cofondateur et directeur technique du fabricant de batteries Verkor. On se sert par exemple de la métrologie thermique pour calculer la perte de masse d’une particule sous l’effet de la chaleur ; ou de la méthode de Karl Fischer en coulométrie afin de mesurer la teneur en eau d’un matériau, en ppm [partie par million, ndlr]. C’est important pour déterminer la durée de vie de la batterie et la façon dont s’exécuteront les charges et décharges au contact de l’électrolyte.»
La fabrication des batteries commence par de la chimie. On obtient une encre, le slurry, par mélange des métaux de la cathode avec un solvant. Elle est ensuite versée sur une feuille de cuivre en mouvement. C’est l’étape du coating. Après calandrage, ce feuillard est entraîné dans un four où l’encre est séchée. « À ce stade, nous recherchons de la finesse, avec des technologies de métrologie à très haute résolution : la microscopie optique, électronique ou par rayon X, développe Adrien Chandat, le responsable du développement commercial de Zeiss France. Zeiss s’est appuyé sur sa division Research microscopy solutions, plutôt liée au monde de la recherche académique, pour fournir des outils au secteur de la batterie.»
Chasse à l’« overhang »
La seconde étape est mécanique, avec l’encochage, l’empilage des électrodes et l’assemblage dans un boîtier afin de former la cellule. Elle peut entraîner des défauts affectant les performances, voire la sécurité de la batterie. Les plus communs sont l’« overhang », une différence de hauteur entre l’anode et la cathode, mais aussi des électrodes pliées ou courbées ou une qualité insuffisante de soudure. «Quand on découpe les électrodes, on crée des particules, ce qui engendre un risque de contamination, indique Christophe Mille. Notre système de contrôle par vision se compose de trois caméras haute résolution. Une sur chaque face de l’électrode pour les impuretés et une sur le côté pour son contour. Toutes les images sont traitées par l’intelligence artificielle afin de détecter les résidus et les défauts.»
Ce qui a changé ces dernières années ? Les techniques à base d’imagerie et de système visuel avec analyse et capture des défauts par apprentissage automatique.
— Christophe Mille, cofondateur et directeur technique de Verkor
Une fois la cellule fermée, les contrôles ne peuvent plus être effectués que par rayons X. « Les problématiques de sécurité imposent des contrôles sur toutes les cellules, une par une ou groupées, en scannant le module ou le pack, analyse Roland Le Floc’h, ingénieur imagerie chez RX Solutions. La tomographie n’est pas toujours synonyme de lenteur, même si la qualité d’image croît avec le temps passé par la pièce dans le scan. On peut réduire les temps d’exposition jusqu’à dix secondes. Le niveau de détails est moins bon, mais il est encore possible de repérer les défauts. » On fait alors appel à l’intelligence artificielle. « Grâce à notre logiciel Zeiss Automatic Default Detection, il n’est plus nécessaire de mettre un opérateur en face de l’équipement et on peut adapter les contrôles aux cadences de production », précise Adrien Chandat.
Vient ensuite la formation électrique de la cellule. Elle est remplie d’une solution électrolytique et on lui applique une charge initiale. « Le processus de maturation électrochimique est très complexe et variable, explique Wolfgang Horrig, le responsable des ventes d’Elektro-Automatik, filiale de Tektronix. Une cellule fabriquée le matin n’aura pas forcément les mêmes caractéristiques qu’une autre produite l’après-midi. Vous ne pouvez pas les mélanger au sein d’un module, sauf si elles ont une résistance vraiment proche. »
Contrôle post-maturation
Ces contrôles sont effectués sur la ligne de production. « Juste après la formation électrique, la cellule est placée automatiquement et une alimentation bidirectionnelle est appliquée, poursuit Wolfgang Horrig. Un système de mesure collecte toutes les données de variations de courant, de tension, de température et un logiciel relié à une base de données va classifier la cellule. Quelque 10% de la production ne peuvent pas être utilisés et sont mis au rebut. Le reste est caractérisé en groupes A, B, C, D. Dans chaque module, les cellules assemblées devront être d’une même catégorie. On pourra en revanche placer des modules de différentes catégories au sein d’un pack. »
Cette étape sert également à la configuration du battery management system (BMS). « C’est un système très fin et intelligent, qui doit avoir une bonne connaissance de la batterie, aussi bien au niveau électrochimique que de son comportement en termes de température selon différents régimes d’utilisation. Pour cela, il doit connaître la cellule de manière très spécifique », complète Christophe Morin, chargé d’affaires chez BioLogic. La dernière étape est celle de l’assemblage des modules qui sont livrés aux constructeurs. « Nous procédons alors à des contrôles similaires à l’assemblage automobile : dimensionnel, de contrainte ; et à des tests électriques finaux pour vérifier que tout est bien connecté », conclut Christophe Mille.
La spectroscopie d’impédance électrochimique veut faire valoir ses performances
« La spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) est une technique de scan à différentes fréquences. Si l’on applique un courant, on mesure la tension, si l’on applique une tension, on mesure un courant, explique Christophe Morin, de BioLogic. On mesure plus précisément le déphasage et la différence d’amplitude entre signaux d’excitation et signaux résultants à des fréquences qui évoluent au fur et à mesure. À partir des données recueillies, on effectue un fit [ajustement de la gamme des fréquences en amplitude et en longueur d’onde, ndlr] sur un circuit équivalent dont les composants forment une image des processus électrochimiques dans la batterie, et ceci à toutes les échelles de temps. C’est ce qui rend cette technique ultra-performante. »
Chez Verkor, Christophe Mille renchérit : « Cela permet de toucher tout un tas d’éléments : le transfert des particules, l’électrolyte…, et d’avoir une vue globale de ce qui se passe à l’intérieur de la cellule. » Mais étant donné son prix élevé, cette technologie reste réservée à la R&D, nuance Wolfgang Horrig, de Tektronix : « Un circuit électrique coûte 4 000 à 5 000 euros, et il en faudrait des centaines. Nous travaillons sur un logiciel qui permettra de tester 20 circuits sur un seul circuit équivalent. L’objectif est de rendre les coûts compétitifs pour intégrer l’EIS en production. »
