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Batterie Lithium Ion : Comment est-elle fabriquée ?

By Ajay Agrawal

Jul 26, 2021

Lithium Ion Battery Pack: How is it made?
Batterie aux ions lithium

Introduction : L'histoire de la batterie lithium-ion

La dépendance croissante à l’égard des transports électriques, des appareils sans fil et de l’électronique dans le monde entier a provoqué une augmentation de la demande pour le développement de batteries lithium-ion. Les véhicules électriques, qui utilisent des batteries électrochimiques, ont augmenté en raison à la fois d’une popularité croissante et d’un changement culturel visant à réduire les émissions de carbone. En 2018, selon le Global Carbon Project, les émissions de CO2 provenant des transports ont atteint un niveau record de 37,15 milliards de tonnes (Global Carbon Budget, 2019).

Avec l’augmentation du prix des combustibles fossiles et des subventions gouvernementales, l’écart de prix entre les moteurs à combustion traditionnels et les moteurs électriques est réduit.

La figure 1 montre l’augmentation de l’utilisation des batteries lithium-ion qui coïncide avec une utilisation accrue par les consommateurs, montrant une évolution positive dans le secteur des véhicules électriques (Yoshino, 2012) et donc un besoin accru de batteries.

Figure 1 Expansion de la demande de batteries lithium-ion, GWh – Gigawattheures (Deng, 2015)

Figure 1 Expansion de la demande de batteries lithium-ion, GWh – Gigawattheures (Deng, 2015)

Une batterie complète est composée d'un nombre de cellules avec des spécifications de basse tension et de puissance fixées dans un format parallèle. La composition chimique différente des cellules de batterie détermine la compatibilité pour une application spécifique, c'est-à-dire domestique ou industrielle, stationnaire ou portable, haute puissance ou haute tension. Malgré la polyvalence électrochimique, la modélisation des batteries affecte de nombreux paramètres tels que la durée de vie, le cycle de vie, l'efficacité, la puissance et l'énergie spécifiques, ainsi que la sécurité et le coût. Dans l’ensemble, la modélisation et les tests des batteries s’adaptent aux exigences particulières de l’application.

Fabrication du bloc batterie

Les cellules de batterie ont une capacité de courant, de tension et de puissance spécifique. Pour faire fonctionner des applications automobiles, informatiques ou aéronautiques, ils nécessitent une tension et un courant élevés. Pour une capacité de puissance haute tension et ampères, de nombreuses cellules doivent être connectées en série ou en parallèle pour répondre aux exigences correctes (Ko et al., 2019).

Sélection de cellule

La capacité et le poids de la cellule de batterie diffèrent selon sa construction et son type. La première étape de la conception du bloc-batterie consiste à sélectionner la cellule de batterie appropriée qui doit répondre aux critères de l'application, comme indiqué dans le tableau 1 (Rajasekhar & Gorre, 2016) (Amp & Cells, 2014). Les propriétés chimiques affectent la tension et la capacité en ampères-heures (Ah) de la cellule de la batterie. En raison des avantages de la batterie lithium-ion, elle est utilisée pour la formation du pack batterie.

Tableau 1 Avantages et inconvénients des cellules cylindriques et prismatiques


Type de cellule Avantages Les inconvénients
Cellule cylindrique Taille standardisée Nécessite plus d'espace
Construction facile, faible coût Problème de tolérance

Peut gérer des niveaux internes élevés

pression

Devient difficile à augmenter

capacité

Cellule prismatique Fin et léger Plus cher
Plus stable Construction compliquée
Efficacité volumétrique élevée Problème de gonflement

Configuration des cellules

La deuxième étape consiste à déterminer le nombre de cellules dans la configuration série ou parallèle de la cellule de batterie. La configuration de la batterie est basée sur la tension et le courant nominal de chaque cellule. Pour rendre la batterie compacte, la configuration série et parallèle peut être optimisée (Maiser, 2014). Une configuration en série se compose de batteries connectées par le positif d’une cellule au négatif de la cellule suivante. Comme le montre la figure 2, une connexion en configuration série ajoute la capacité de tension de chaque cellule pour fournir la tension totale aux bornes.

Figure 2 Configuration en série de la cellule de batterie (Université, 2019)
Figure 2 Configuration en série de la cellule de batterie (Université, 2019)

Dans les configurations parallèles, le positif et le négatif de chaque cellule sont connectés comme indiqué sur la figure 3. Cela ajoute plus de capacité Ah à chaque cellule.

Figure 3 Configuration parallèle de la cellule de batterie (Université, 2019)
Figure 3 Configuration parallèle de la cellule de batterie (Université, 2019)
Les packs de batteries sont constitués d’une combinaison de configurations série et parallèle. Par exemple, un ordinateur portable nécessite généralement quatre cellules de batterie lithium-ion en série (4 × 3,6 V) pour atteindre une tension nominale de 14,4 V et deux cellules en parallèle (2 × 2 400 Ah) pour produire une batterie d'une capacité de 4 800 Ah.

Design structurel

La troisième étape à prendre en compte lors de la conception d’un bloc-batterie est la conception architecturale qui augmentera au mieux la durée de vie et la sécurité du bloc-batterie. Cela inclut une connaissance détaillée des connexions électriques, du support mécanique (pression et support des éléments de batterie), du matériau utilisé et de la gestion thermique du pack batterie.

Interconnexion électrique

La batterie transporte une haute tension, ce qui signifie que l’interconnexion électrique de la batterie doit être capable de supporter la capacité de courant maximale. Une conception et une prise en compte inappropriées peuvent entraîner des connexions endommagées aux composants voisins en raison d'une perte de chaleur excessive (Rajasekhar & Gorre, 2016). L'interconnexion électrique principale dans la batterie se situe entre les cellules. Une grande partie de ce processus comprend le soudage du nickel, là où les cellules se connectent pour transporter un courant élevé.

Bande de nickel

Le principal avantage de l’utilisation de bandes de nickel pur comme matériau de connexion est qu’elles présentent une très haute résistance à la corrosion et qu’elles sont très faciles à souder par points. Au cours des dernières décennies, de nombreux fabricants de batteries de vélo ont utilisé une soudeuse par points automatisée, excellente pour les cellules de batterie à faible ampérage (Lewchalermwong et al., 2018). Le nombre, la taille et la configuration de la bande de nickel dépendent directement de la capacité actuelle maximale de la batterie.
Le tableau ci-dessous montre les niveaux de courant acceptables pour les bandes de nickel pur.
Taille Optimal Acceptable Pauvre
0,1 mm × 5 mm
< 2,1 A
~3,0 A
> 4,2 A
0,1 mm x 7 mm
< 3,0 A
~4,5 A
> 6,0 A
0,15 mm x 7 mm
< 4,7 A
~ 7,0 A
> 9,4 A
0,2 mm x 7 mm
< 6,4 A
~ 9,6 A
>12,8 A
0,3 mm x 7 mm
< 10,0 A
~ 15,0 A
> 20,0 A

Tableau 2 Niveaux de courant acceptables pour les bandes de nickel pur (Mike, 2017)

La division du courant maximum de la batterie par la capacité de charge actuelle de la bande de nickel donne le nombre de pièces nécessaires. Par exemple, si deux groupes parallèles avec quatre cellules dans chaque configuration sont utilisés pour créer un courant de batterie total de 20 A à l'aide d'une bande de nickel de 0,15 mm × 8 mm (capacité variable de courant de 5 A), alors cela nécessite 20 A/5 A = 4 bandes pour transporter le cadeau (Figure 4). De même, si le courant de la batterie est de 40 A, huit bandes de nickel sont nécessaires car deux pièces sont nécessaires pour une seule connexion. La meilleure conception de batterie est de respecter les critères de capacité de courant optimale du nickel. Si la dimension de la bande de nickel est choisie dans une mauvaise position de courant, elle pourrait commencer à surchauffer et endommager la capacité thermique de la batterie.

Figure 4 Connexion à bande de nickel pour une configuration série-parallèle longue
Figure 4 Connexion à bande de nickel pour une configuration série-parallèle longue
Figure 5 Configuration de la bande de nickel selon la capacité de charge de courant, Fig. A pour une consommation de courant de 20 A, Fig. B pour une consommation de courant de 40 A
Figure 5 Configuration de la bande de nickel selon la capacité de charge de courant, Fig. A pour une consommation de courant de 20 A, Fig. B pour une consommation de courant de 40 A
Plusieurs bandes de nickel peuvent également être utilisées pour les connexions de configuration parallèle en série longue afin de concevoir un bloc de batterie compact (Figure 5).

Soudeur par points

Pour la production en série de batteries, les robots soudeurs par points automatisés sont devenus populaires (Lewchalermwong et al., 2018), étant donné que le système informatisé a rendu le soudage par points facile et productif. Malheureusement, en raison d’une production et d’un démarrage limités, le système automatisé ne constitue pas encore une option économique.
Il est important de noter qu’un soudage de qualité joue un rôle essentiel dans les batteries optimisées, car un soudage inégal crée une faible conduction et des points chauds. Les méthodes de soudage traditionnelles ne suffisent pas, notamment lorsqu’on travaille avec des cellules lithium-ion. De nos jours, de plus en plus de personnes recherchent des batteries fabriquées sur mesure ou reconstruites. Afin de répondre à la demande, les petites soudeuses par points sont pratiques et offrent une qualité exceptionnelle en matière de soudage personnalisé facilement disponible.

Structure mécanique

La construction mécanique affecte les performances et la longévité des batteries. Quatre paramètres doivent être pris en compte lors de la conception du développement mécanique du pack batterie.

I. Épaisseur et expansion de la cellule

Pendant la charge et la décharge, la cellule de la batterie se dilate et se rétracte dans sa position d'origine. Le degré d'expansion dépend de la charge exercée sur la cellule. À mesure que la cellule vieillit, son épaisseur augmente de 3 à 5 % par rapport à son diamètre initial (Rajasekhar & Gorre, 2016).

II. Isolation

La cellule de la batterie est un composant électrochimique, ce qui signifie qu'il est nécessaire d'isoler chaque cellule les unes des autres ainsi que de tout autre matériau conducteur tel que l'environnement extérieur et les bornes des électrodes de la batterie.

III. Ventilation de la cellule

Lors du cycle de charge de la batterie, les électrodes de la cellule produisent des composés gazeux et créent une pression à la surface de la cellule. Pour éviter les composés gazeux, la batterie doit être dotée de dispositions permettant d'évacuer les gaz.

IV. Protection physique de la cellule

La batterie contient la cellule de batterie comme composant principal et une cellule de batterie bien conçue offrira la batterie la meilleure et la plus sûre. La cellule de la batterie doit être protégée des vibrations, des chocs, de la saleté et de l'eau. La protection physique doit également prendre en compte la gestion thermique du pack.

Gestion de la chaleur

Il existe de nombreuses approches de gestion thermique pour la batterie lithium-ion. L’un des éléments les plus critiques du système de gestion de batterie est la gestion thermique. Ce système vise à maintenir la température de la batterie dans les limites de ses spécifications et à créer une répartition uniforme de la chaleur dans tout le pack (Rothgang et al., 2012). Toutes les batteries sont classées comme composants inflammables car elles contiennent une construction électrochimique et peuvent commencer à brûler très rapidement.
Les batteries lithium-ion n'ont pas une bonne stabilité thermique, ce qui signifie qu'une attention particulière doit être portée lors du processus de fabrication de gestion thermique. La conception de régulation (active ou passive) et le fluide (air et/ou eau) sont utilisés pour le refroidissement du chauffage et définissent le système de gestion thermique.
Pour un système de batterie de vélo électrique, l’air est le milieu le mieux adapté au système de gestion thermique. Sur cette base, des méthodes de refroidissement passif, de chauffage et de refroidissement passifs et de chauffage et de refroidissement actifs sont utilisées. Les techniques de refroidissement actif impliquent un ventilateur comme dans un ordinateur portable.

Système de gestion de batterie (BMS)

Le développement du BMS s'est accéléré à mesure que la demande de batteries personnalisées continue de croître. Le BMS est un composant électronique qui permet de contrôler les paramètres critiques de la batterie pendant le fonctionnement, la charge et la décharge (Weicker, 2014) (Jossen et al., 1999). Les systèmes BMS utilisent des capteurs pour surveiller la tension, le courant, l'impédance et d'autres conditions obligatoires de la batterie. La surveillance de ces paramètres permet d'optimiser les performances, d'augmenter le cycle de vie et la capacité et de réduire le temps de charge.
Le système moderne de gestion de batterie comprend :
  • Surveillance des cellules (tension, courant et température)
  • Superviser le comportement de la batterie (état de charge, énergie, performances)
  • Équilibrage cellulaire
  • Limite de charge et de décharge de la batterie
  • BMS est un vaste domaine à découvrir. Il se présente sous la forme d'un circuit intégré avec la programmation et les capteurs nécessaires. Le principal avantage du BMS est qu'il est programmable et que la limite des fonctions est gérable selon les besoins et l'application.
Il existe de nombreux fournisseurs de systèmes BMS en Amérique du Nord, tels que :
  • Ingénierie Nuvation (États-Unis)
  • Technologie Valence, (États-Unis)
  • Société de technologie linéaire (États-Unis)
  • Eberspaecher Vecture (CANADA)
  • Nuvation Energy (États-Unis)
  • ON Semiconducteur (États-Unis)
  • JTT Électronique (CANADA)

Les références:

Amp, M. et Cells, HN (2014). Guide de conception, de validation et d'assemblage de batteries à l'aide des systèmes A123. 1 à 71.
Deng, D. (2015). Batteries Li-ion : bases, progrès et défis. Science et ingénierie énergétiques, 3(5), 385-418. https://doi.org/10.1002/ese3.95
Budget carbone mondial. (2019). Pas de titre. https://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/
AIE. (2019). Perspectives mondiales des véhicules électriques 2019. Dans AIE. https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2019 Jossen, A., Späth, V., Döring, H. et Garche, J. (1999). Fonctionnement fiable de la batterie - un défi pour le système de gestion de la batterie. Journal des sources d'énergie, 84(2), 283-286. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(99)00329-8
Lewchalermwong, N., Masomtob, M., Lailuck, V. et Charoenphonphanich, C. (2018). Sélection des matériaux et méthode d'assemblage d'un bloc de batterie pour véhicule électrique compact. Série de conférences IOP : Science et ingénierie des matériaux, 297(1). https://doi.org/10.1088/1757-899X/297/1/012019
Maiser, E. (2014). Emballage de batterie - Revue technologique. Actes de la conférence AIP, 1597 (février), 204-218. https://doi.org/10.1063/1.4878489
Mike. (2017). Quelle quantité et quelle taille de bandes de nickel devriez-vous utiliser.
Rajasekhar, MV et Gorre, P. (2016). Conception de batteries haute tension pour véhicules électriques hybrides. Conférence internationale sur l'électrification des transports de l'IEEE 2015, ITEC-Inde 2015, 1–7.https://doi.org/10.1109/ITEC-India.2015.7386876
Rothgang, S., Nordmann, H., Schaper, C. et Sauer, DU (2012). Défis liés à la conception des batteries.
Mise à jour de l'industrie Thomas. (sd). Principaux fournisseurs et fabricants de batteries aux États-Unis et dans le monde. https://www.thomasnet.com/articles/top-suppliers/battery-manufacturers-suppliers/
Université, B. (2019). Configurations de batterie en série et en parallèle.
Weicker, P. (2014). Une approche systémique de la gestion des batteries lithium-ion. Maison Artech. Conseil mondial de l'énergie. (2019). Moniteur de stockage d'énergie : dernières tendances en matière de stockage d'énergie. www.worldenergy.org
Yoshino, A. (2012). La naissance de la batterie lithium-ion. Angewandte Chemie - Édition internationale, 51(24), 5798-5800. https://doi.org/10.1002/anie.201105006

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