La connaissance est le pouvoir

Le Big Data est le moteur de l'innovation durable dans la fabrication de LIB, explique Klaus Petersen

Les cellules de batterie lithium-ion (LIB) sont au cœur des stratégies mondiales d'électrification, contribuant à atteindre des objectifs ambitieux de zéro émission nette. Pour répondre à la demande croissante de ces produits, les fabricants de cellules LIB doivent accélérer la production, fournir des produits de haute qualité avec des empreintes environnementales limitées et des délais de livraison courts. Ces objectifs sont de plus en plus faciles à atteindre lors de l'adoption de solutions automatisées basées sur les données. La fabrication de cellules LIB peut rapidement augmenter la productivité et le débit tout en améliorant leur impact environnemental en tirant parti du Big Data.

Le nombre de véhicules électriques (VE) monte en flèche, le nombre total de voitures électriques sur les routes du monde en 2021 atteignant un pic de 16,5 millions. La même année, les ventes de nouveaux véhicules électriques ont atteint un nouveau record de 6,6 millions, ce qui représente près de 10 % des ventes mondiales de voitures.

Le passage du transport routier traditionnel à combustion aux véhicules électriques est soutenu par la demande des clients ainsi que par des normes ambitieuses en matière d'efficacité des véhicules et de CO2. En effet, sur la plupart des principaux marchés des véhicules électriques, ces moyens de transport sont considérés comme essentiels pour atteindre les objectifs de décarbonisation, car l'utilisation des véhicules électriques peut entraîner le déplacement de 1,6 million de barils de pétrole par jour d'ici 2025 (à l'exclusion des véhicules à deux et trois roues). ). Ce chiffre devrait atteindre 4,6 mb/j d'ici 2030.

Le marché actuellement favorable signifie qu'il existe de précieuses opportunités pour les fabricants de LIB au service du secteur des transports, car ces cellules électrochimiques jouent un rôle clé dans la transition vers une mobilité plus durable. Plus précisément, la capacité mondiale annuelle couverte par les batteries EV devrait passer d'environ 340 GWh aujourd'hui à plus de 3 500 GWh par an d'ici 2030.

Au cœur des véhicules électriques se trouvent des batteries lithium-ion, où un certain nombre de cellules sont assemblées dans un cadre pour former un module, qui est équipé de systèmes clés, tels que le contrôle, la protection et le refroidissement. Par conséquent, il s'agit de la technologie habilitante pour alimenter les moyens de transport de la prochaine génération.

Les cellules LIB, quant à elles, sont constituées de couches de feuille métallique recouvertes d'une fine couche de matériau conducteur actif. Ces deux composants forment les éléments clés de la batterie, l'anode et la cathode, qui sont séparées par un film poreux et des électrolytes. Typiquement, il est nécessaire de combiner plusieurs couches d'anodes et de cathodes disposées selon une forme cylindrique ou prismatique, donnant aux batteries la forme requise par l'application.

Au cœur des véhicules électriques se trouvent des batteries lithium-ion, où un certain nombre de cellules sont assemblées dans un cadre pour former un module.

Cette structure est obtenue par enduction de la feuille métallique et calandrage, procédé complexe et précis impliquant des étapes de séchage et de laminage. La découpe du matériau suit ensuite, ce qui implique de couper la feuille en bandes. Enfin, selon le format de la batterie, elles sont découpées à la taille, empilées ou enroulées, puis envoyées aux étapes finales du processus avant de subir des tests de fin de ligne.

Fournir des produits de qualité constante et élevée est essentiel pour accélérer la production, car ils sont essentiels pour garantir la bonne capacité, la bonne tension et la bonne résistance, déterminant en fin de compte les performances et la sécurité de la batterie. Comme de nombreuses étapes critiques sont impliquées dans la fabrication des cellules LIB, les entreprises doivent investir dans des actifs de production robustes, résilients et tournés vers l'avenir si elles veulent être en mesure de répondre aux demandes croissantes du marché d'aujourd'hui et de demain tout en réduisant leur impact environnemental.

Dans les processus de production de cellules LIB en continu, cela peut être difficile. Tout d'abord, il est nécessaire de manipuler des matériaux fins et délicats à haute vitesse sans sacrifier l'exactitude et la précision. Comme la densité d'énergie des batteries doit continuer à augmenter, les feuilles utilisées peuvent même devenir plus minces, selon la technologie choisie, et donc plus difficiles à traiter. Cela signifie que les producteurs doivent trouver des solutions solides pour une tension optimale. Deuxièmement, les imprécisions et les impuretés s'accumulent au cours des différentes étapes de traitement et le contrôle de qualité conventionnel peut entraîner des taux de rejet élevés. Ces aspects peuvent finalement affecter la productivité et l'efficacité.

En plus de ces problèmes, les producteurs de cellules LIB doivent tenir compte d'autres aspects clés. Par exemple, les métaux requis par l'industrie étant rares, coûteux et impliquant des processus d'extraction à forte intensité de carbone, il est crucial pour les fabricants d'assurer une utilisation optimale des ressources pour une production efficace de LIB. Ce faisant, ils peuvent minimiser leurs coûts et leur impact environnemental tout en augmentant leur rentabilité et leur retour sur investissement.

Répondre au potentiel de tout problème de performance de la batterie est un autre défi que les fabricants doivent relever de manière proactive. Pouvoir tirer parti des systèmes de suivi et de traçabilité des matériaux pour effectuer rapidement une analyse des causes profondes et résoudre tout problème de traitement dans l'atelier est essentiel pour éviter la sortie de produits de qualité inférieure.

Les stratégies d'assurance qualité axées sur les données sont bien adaptées pour aider les entreprises à développer des environnements de production optimisés. En signalant rapidement les anomalies, en détectant et en prévenant les défauts de qualité, en particulier dans les premières étapes du processus, ils aident à éviter des problèmes plus importants plus loin dans la chaîne de production. Ceci, à son tour, peut réduire le volume de cellules LIB hors spécifications et sous-optimales tout en améliorant l'utilisation des matériaux et de l'énergie. En outre, les approches basées sur les données sont au cœur des stratégies de suivi et de traçabilité, car elles peuvent fournir des informations précises, même dans les processus continus, qui sont très complexes.

Les entreprises doivent donc investir dans des dispositifs d'automatisation capables de générer des données clés sur les processus, les équipements et les matériaux utilisés. Ceux-ci doivent ensuite être analysés ou exploités pour créer des modèles prédictifs qui peuvent être utilisés pour identifier les paramètres qui déterminent la qualité du produit, les opérations optimales et les performances des actifs.

La puissance de traitement des données de la technologie actuelle basée sur l'intelligence artificielle (IA) est sans précédent. Il est si avancé que les méthodes traditionnelles basées sur des experts ne peuvent même pas rivaliser. En fait, ils peuvent parcourir de grands volumes de chiffres, identifier des modèles clés, des inliners et des outliners ainsi qu'interpoler plusieurs ensembles de données pour générer des algorithmes prédictifs sur différents processus. En outre, il est possible de développer des modèles globaux qui prennent en compte toutes les différentes étapes et atouts de l'ensemble de la chaîne de production de cellules LIB pour fournir des indications clés sur la qualité du produit final.

Une fois ces connaissances générées, les entreprises LIB peuvent tirer parti de ces informations pour surveiller et contrôler leurs activités en temps réel. De plus, en utilisant des horodatages et des marques pour l'identification des sections de film, ils peuvent faciliter le suivi et la traçabilité qui, en fin de compte, facilitent la sérialisation, la résolution de problèmes et l'identification des causes profondes.

Grâce à tous ces aspects, les fabricants de LIB axés sur les données peuvent bénéficier d'économies considérables en termes d'efficacité et de coûts, ce qui peut favoriser la rentabilité et la durabilité. Par exemple, une ligne de production de 10 GWh non orientée vers les données peut produire 70 %, 10 %, 5 % et 5 % de cellules offrant respectivement 100 %, 90 %, 80 % et 70 % de capacité avec 10 % de produits qui doivent être jetés. Compte tenu des coûts globaux associés à chaque cellule, si la fabrication intelligente peut améliorer ces capacités ne serait-ce que d'un seul point de pourcentage, l'impact environnemental et financier peut être considérable. En effet, chaque 1 % de rebut évité sur une ligne de 10 GWh qui génère un revenu de 90 €/kWh de capacité de batterie entraîne une économie de 9 millions d'euros.

Il y a plus d'opportunités à considérer, car l'adoption d'usines de cellules LIB intelligentes et basées sur les données conduit à une optimisation continue des processus de fabrication. Les modèles prédictifs développés peuvent utiliser de nouvelles données, régulièrement générées par des équipements automatisés, pour affiner leurs prévisions et fournir des informations toujours plus précises pour améliorer les opérations, les produits et les actifs. Par conséquent, les fabricants peuvent les utiliser dans le cadre de stratégies d'amélioration continue qui peuvent contribuer à renforcer la compétitivité à long terme.

Les entreprises souhaitant faire progresser leurs lignes de production de cellules LIB peuvent désormais tirer parti d'un certain nombre de solutions avancées éprouvées. Un excellent exemple est offert par Mitsubishi Electric, qui a lancé une barre de balayage de ligne innovante pour inspecter la surface des matériaux en cours de fabrication en temps réel. L'instrument est équipé de la technologie de capteur d'image de contact (CIS), pour fournir une rétroaction haute résolution sur les conditions de surface du collecteur de courant revêtu. En traitant les données générées par cela, les entreprises peuvent tirer parti d'un outil clé pour aider à déterminer la qualité des LIBcells avec une résolution et une précision extrêmement élevées, améliorant ainsi la qualité du produit final.

Klaus Petersen est avecMitsubishi Electric Europe