Avec le développement rapide dubatterie au lithiumDans l'industrie, les applications des batteries au lithium continuent de se développer et elles sont devenues indispensables à notre vie quotidienne et professionnelle. Le processus de fabrication des batteries au lithium personnalisées comprend principalement les étapes suivantes : ingrédients, revêtement, laminage, préparation, bobinage, encapsulage, laminage, cuisson, injection de liquide, soudage, etc. Voici les points clés de ce processus. Ingrédients de l'électrode positive : L'électrode positive des batteries au lithium est composée de matériaux actifs, d'agents conducteurs, d'adhésifs, etc. Les matières premières sont d'abord vérifiées et cuites. Généralement, l'agent conducteur doit être cuit à environ 120 °C pendant 8 heures, et l'adhésif PVDF à environ 80 °C pendant 8 heures. La nécessité de cuire et de sécher les matériaux actifs (LFP, NCM, etc.) dépend de leur état. Actuellement, les ateliers de fabrication de batteries au lithium exigent généralement une température inférieure ou égale à 40 °C et une humidité relative inférieure ou égale à 25 %. Une fois le séchage terminé, la colle PVDF (solvant PVDF, solution de NMP) doit être préparée au préalable. La qualité de cette colle est essentielle à la résistance interne et aux performances électriques de la batterie. L'application de la colle est influencée par la température et la vitesse d'agitation. Une température élevée entraîne un jaunissement de la colle, ce qui nuit à son adhérence. Une vitesse d'agitation trop rapide risque d'endommager la colle. La vitesse de rotation optimale dépend de la taille du disque de dispersion. Généralement, la vitesse linéaire du disque est de 10 à 15 m/s (selon l'équipement). Dans ce cas, la circulation d'eau dans la cuve de mélange doit être activée et la température ne doit pas dépasser 30 °C.

Ajouter la suspension cathodique par lots. Il est crucial de respecter l'ordre d'ajout des matériaux. Commencer par le matériau actif et l'agent conducteur, mélanger lentement, puis ajouter la colle. Le temps et le rapport d'alimentation doivent être scrupuleusement respectés, conformément au procédé de fabrication des batteries au lithium. Ensuite, la vitesse de rotation de l'équipement doit être rigoureusement contrôlée. En général, la vitesse linéaire de dispersion doit être supérieure à 17 m/s. Cette valeur dépend des performances de l'appareil et varie considérablement d'un fabricant à l'autre. Contrôler également le vide et la température du mélange. À ce stade, la granulométrie et la viscosité de la suspension doivent être régulièrement mesurées. Ces paramètres sont étroitement liés à la teneur en matières solides, aux propriétés des matériaux, à l'ordre d'alimentation et au procédé de fabrication des batteries au lithium. Le procédé conventionnel exige une température ≤ 30 °C, une humidité relative ≤ 25 % et un vide ≤ -0,085 MPa. Transférer la suspension dans une cuve de transfert ou une cabine de peinture. Après transfert, la suspension doit être tamisée. L'objectif est de filtrer les grosses particules, de précipiter et d'éliminer les substances ferromagnétiques et autres. Les grosses particules peuvent altérer le revêtement et entraîner une autodécharge excessive de la batterie, voire un risque de court-circuit ; une trop grande quantité de matériaux ferromagnétiques dans la suspension peut également provoquer une autodécharge excessive et d'autres défauts. Les exigences du procédé de fabrication de cette batterie au lithium sont les suivantes : température ≤ 40 °C, humidité relative ≤ 25 %, granulométrie du tamis ≤ 100 mesh et taille des particules ≤ 15 µm.

Électrode négativeIngrédients : L'électrode négative d'une batterie au lithium est composée de matériau actif, d'agent conducteur, de liant et de dispersant. Il convient tout d'abord de vérifier les matières premières. Le système d'anode traditionnel utilise un procédé de mélange en milieu aqueux (l'eau déminéralisée comme solvant), ce qui ne requiert pas de séchage particulier des matières premières. Le procédé de fabrication des batteries au lithium exige une conductivité de l'eau déminéralisée ≤ 1 µS/cm. Conditions de l'atelier : température ≤ 40 °C, humidité ≤ 25 % HR. Préparation de la colle : Une fois les matières premières identifiées, il faut préparer la colle (composée de CMC et d'eau). Versez ensuite le graphite C et l'agent conducteur dans un mélangeur pour un mélange à sec. Il est recommandé de ne pas utiliser le vide ni la circulation d'eau, car les particules sont expulsées, frottées et chauffées pendant le mélange à sec. La vitesse de rotation est faible (15 à 20 tr/min), le cycle de raclage et de broyage est répété 2 à 3 fois, avec un intervalle d'environ 15 minutes. Versez la colle dans le mélangeur et mettez-le sous vide (≤ -0,09 MPa). Malaxez le caoutchouc à faible vitesse (15 à 20 tr/min) à deux reprises, puis ajustez la vitesse (faible vitesse : 35 tr/min, vitesse élevée : 1 200 à 1 500 tr/min) et poursuivez le malaxage pendant 15 à 60 minutes environ, selon le procédé humide préconisé par le fabricant. Enfin, versez le SBR dans le mélangeur. Un mélange à faible vitesse est recommandé, car le SBR est un polymère à longue chaîne. Une vitesse de rotation trop élevée et prolongée risque de rompre les chaînes moléculaires et d'entraîner une perte d'activité. Il est conseillé de mélanger à faible vitesse (35 à 40 tr/min) puis à vitesse élevée (1 200 à 1 800 tr/min) pendant 10 à 20 minutes. Contrôlez la viscosité (2 000 à 4 000 mPa·s), la granulométrie (≤ 35 µm), la teneur en matières solides (40 à 70 %), le degré de vide et la finesse de tamisage (≤ 100 mesh). Les paramètres spécifiques du procédé varient en fonction des propriétés physiques du matériau et du procédé de mélange. L'atelier requiert une température ≤ 30 °C et une humidité relative ≤ 25 %. Revêtement de la cathode : Le procédé de fabrication des batteries au lithium consiste à extruder ou à pulvériser la suspension cathodique sur la face AB du collecteur de courant en aluminium, avec une densité surfacique d'environ 20 à 40 mg/cm² (batterie ternaire au lithium). La température du four est généralement comprise entre 4 et 8 nœuds, et la température de cuisson de chaque section est ajustée entre 95 °C et 120 °C selon les besoins afin d'éviter les fissures transversales et les coulures de solvant pendant la cuisson. Le rapport de vitesse du rouleau de transfert est de 1,1 à 1,2, et l'épaisseur du revêtement est réduite de 20 à 30 µm pour éviter un tassement excessif dû aux débordements lors des cycles de charge/décharge, ce qui pourrait entraîner la précipitation du lithium. L'humidité du revêtement est ≤ 2 000 à 3 000 ppm (selon le matériau et le procédé). La température de l'électrode positive dans l'atelier est ≤ 30 °C et l'humidité relative ≤ 25 %. Le schéma est le suivant : Schéma du ruban de revêtement

Lefabrication de batteries au lithiumprocessus derevêtement d'électrode négativeIl s'agit de l'extrusion ou de la pulvérisation d'une suspension d'électrode négative sur la surface AB du collecteur de courant en cuivre. La densité surfacique est d'environ 10 à 15 mg/cm². Le four de revêtement comporte généralement 4 à 8 sections (voire plus), la température de cuisson de chaque section étant comprise entre 80 °C et 105 °C. Elle peut être ajustée selon les besoins afin d'éviter les fissures de cuisson et les fissures transversales. Le rapport de vitesse du rouleau de transfert est de 1,2 à 1,3, l'écartement est de 10 à 15 µm, la concentration de peinture est inférieure ou égale à 3 000 ppm, la température de l'électrode négative dans l'atelier est inférieure ou égale à 30 °C et l'humidité relative est inférieure ou égale à 25 %. Après séchage du revêtement positif sur la plaque positive, le tambour doit être aligné dans les délais impartis. Le rouleau sert à compacter la feuille d'électrode (masse du revêtement par unité de volume). Actuellement, deux méthodes de pressage de l'électrode positive sont utilisées dans la fabrication des batteries au lithium : le pressage à chaud et le pressage à froid. Comparé au pressage à froid, le pressage à chaud offre une compaction plus élevée et un taux de rebond plus faible. Cependant, le procédé de pressage à froid est relativement simple et facile à mettre en œuvre et à contrôler. L'équipement principal du rouleau permet d'atteindre les valeurs de compactage, de rebond et d'allongement souhaitées. Il est important de noter que la surface de la barre ne doit présenter ni copeaux fragiles, ni grumeaux durs, ni chutes de matière, ni bords ondulés, et qu'aucune rupture n'est tolérée dans les interstices. La température ambiante de l'atelier doit être inférieure ou égale à 23 °C et l'humidité relative inférieure ou égale à 25 %. La densité réelle des matériaux conventionnels actuels est de :

Compactage couramment utilisé :

Vitesse de rebond : rebond général 2-3 μm

Allongement : La longueur de la feuille d'électrode positive est généralement d'environ 1,002

Une fois le rouleau d'électrode positive terminé, l'étape suivante consiste à découper l'électrode en fines bandes de même largeur (correspondant à la hauteur de la batterie). Lors du découpage, il convient d'être vigilant quant aux bavures présentes sur la pièce polaire. Un contrôle minutieux des pièces polaires, selon les axes X et Y, est nécessaire à l'aide d'un équipement bidimensionnel. La longueur des bavures longitudinales (Y) doit être inférieure ou égale à la moitié de l'épaisseur du diaphragme (H). La température ambiante de l'atelier doit être inférieure ou égale à 23 °C et le point de rosée inférieur ou égal à -30 °C. Le processus de fabrication des feuilles d'électrode négative pour batteries au lithium est identique à celui des électrodes positives, mais la conception du processus diffère. La température ambiante de l'atelier doit être inférieure ou égale à 23 °C et l'humidité relative inférieure ou égale à 25 %. Densité réelle des matériaux d'électrode négative courants :

Compactage courant de l'électrode négative : Taux de rebond : Rebond général de 4 à 8 µm. Allongement : Plaque positive généralement ≈ 1,002. Le processus de dénudage de l'électrode positive d'une batterie au lithium est similaire à celui de la plaque négative, et les deux nécessitent le contrôle des bavures dans les directions X et Y. La température ambiante de l'atelier doit être ≤ 23 °C et le point de rosée ≤ -30 °C. Une fois la plaque positive prête à être dénudée, elle doit être séchée (120 °C), puis la feuille d'aluminium est soudée et conditionnée. Durant ce processus, la longueur des languettes et la largeur du moulage doivent être prises en compte. Prenons l'exemple d'une batterie de type 650 (comme la 18650) : la conception avec des languettes exposées vise principalement à assurer une coopération optimale des languettes de la cathode lors du soudage du capuchon et de la rainure de laminage. Si les languettes de la cathode restent exposées trop longtemps, un court-circuit risque de se produire entre elles et l'enveloppe en acier pendant le laminage. Si la cosse est trop courte, le capuchon ne peut être soudé. Il existe actuellement deux types de têtes de soudage par ultrasons : linéaires et ponctuelles. Les procédés nationaux utilisent majoritairement des têtes de soudage linéaires pour des raisons de surintensité et de résistance de la soudure. De plus, une colle haute température est utilisée pour recouvrir les pattes de soudure, principalement afin d'éviter les risques de courts-circuits causés par les bavures et les débris métalliques. La température ambiante de l'atelier doit être inférieure ou égale à 23 °C, le point de rosée inférieur ou égal à -30 °C et le taux d'humidité de la cathode inférieur ou égal à 500-1000 ppm.

Préparation de plaques négativesLa plaque négative doit être séchée (105-110 °C), puis les feuilles de nickel sont soudées et conditionnées. La longueur des languettes de soudure et la largeur de la zone de formation doivent également être prises en compte. La température ambiante de l'atelier doit être ≤ 23 °C, le point de rosée ≤ -30 °C et la teneur en humidité de l'électrode négative ≤ 500-1000 ppm. Le bobinage consiste à enrouler le séparateur, la feuille d'électrode positive et la feuille d'électrode négative sur un noyau de fer à l'aide d'une bobineuse. Le principe est d'enrouler l'électrode positive autour de l'électrode négative, puis de séparer les électrodes positive et négative par un séparateur. L'électrode négative étant l'électrode de contrôle de la batterie, sa capacité est supérieure à celle de l'électrode positive, afin que, lors de la charge initiale, les ions Li+ de l'électrode positive puissent être stockés dans l'espace libre de l'électrode négative. Une attention particulière doit être portée à la tension d'enroulement et à la disposition des pièces polaires lors du bobinage. Une tension d'enroulement trop faible affectera la résistance interne et la vitesse d'insertion dans le boîtier. Une tension excessive peut entraîner un risque de court-circuit ou d'écaillage. L'alignement concerne la position relative de l'électrode négative, de l'électrode positive et du séparateur. La largeur de l'électrode négative est de 59,5 mm, celle de l'électrode positive de 58 mm et celle du séparateur de 61 mm. Ces trois éléments sont alignés pendant la lecture afin d'éviter tout risque de court-circuit. La tension d'enroulement est généralement comprise entre 0,08 et 0,15 MPa pour chaque pôle (positif et négatif), ainsi que pour les membranes supérieure et inférieure. Les réglages précis dépendent de l'équipement et du processus de fabrication. La température ambiante de cet atelier est inférieure ou égale à 23 °C, le point de rosée est inférieur ou égal à -30 °C et le taux d'humidité est compris entre 500 et 1 000 ppm.

Avant d'installer le noyau de la batterie dans le boîtier, un test de haute tension (Hi-Pot) de 200 à 500 V est nécessaire (pour vérifier l'absence de court-circuit). Un dépoussiérage est également requis avant l'installation. Les trois principaux points de contrôle des batteries au lithium sont l'humidité, les bavures et la poussière. Une fois ces étapes réalisées, insérez le joint inférieur au fond du noyau, pliez l'électrode positive de manière à ce que sa surface soit face à l'orifice de bobinage, puis insérez-la verticalement dans le boîtier en acier ou en aluminium. Prenons l'exemple d'une batterie de type 18650 (diamètre extérieur ≈ 18 mm et hauteur ≈ 71,5 mm). Lorsque la section du noyau est inférieure à la section intérieure du boîtier, le taux d'insertion est d'environ 97 % à 98,5 %. En effet, le rebond de la pièce polaire et le degré de pénétration du liquide lors de l'injection ultérieure doivent être pris en compte. La pose de la sous-couche supérieure s'effectue selon le même procédé que pour la sous-couche de surface. La température ambiante de l'atelier doit être inférieure ou égale à 23 °C et le point de rosée inférieur ou égal à -40 °C.

RoulementOn insère une broche de soudure (généralement en cuivre ou en alliage) au centre du noyau de soudure. Les broches de soudure couramment utilisées mesurent Φ2,5 x 1,6 mm, et la force de soudure de l'électrode négative doit être ≥ 12 N pour être conforme. Une valeur trop faible risque d'entraîner un soudage fantôme et une résistance interne excessive. À l'inverse, une valeur trop élevée peut provoquer le décollement de la couche de nickel à la surface du boîtier en acier, créant ainsi des joints de soudure défectueux et des risques de corrosion et de fuite. Le rainurage permet de fixer le noyau bobiné de la batterie sur le boîtier sans le faire vibrer. Lors de la fabrication de cette batterie au lithium, il est essentiel d'accorder une attention particulière à la correspondance entre la vitesse d'extrusion transversale et la vitesse de pressage longitudinale. Une vitesse transversale trop élevée peut entraîner la découpe du boîtier, tandis qu'une vitesse longitudinale trop importante peut provoquer le décollement de la couche de nickel au niveau de l'encoche, ou affecter la hauteur de l'encoche et compromettre l'étanchéité. Il est nécessaire de vérifier, par des calculs pratiques et théoriques, que les paramètres de rainurage (profondeur, extension et hauteur) sont conformes aux normes. Les diamètres de fraisage courants sont de 1,0, 1,2 et 1,5 mm. Une fois le rainurage terminé, la machine doit être entièrement mise sous vide afin d'éviter toute contamination par des débris métalliques. Le niveau de vide doit être ≤ -0,065 MPa pendant 1 à 2 secondes. La température ambiante de l'atelier doit être ≤ 23 °C et le point de rosée ≤ -40 °C. Cuisson des noyaux de batterie : Après le laminage et le rainurage des feuilles cylindriques, l'étape suivante, cruciale, est la cuisson des cellules de batterie au lithium. Lors de la fabrication des cellules, une certaine quantité d'humidité est introduite. Si cette humidité n'est pas maîtrisée à temps et dans les limites acceptables, les performances et la sécurité de la batterie seront gravement compromises. Généralement, on utilise un four sous vide automatique pour la cuisson. Disposez les cellules à cuire proprement, placez le dessiccant dans le four, paramétrez-le et portez la température à 85 °C (exemple : batteries lithium-fer-phosphate). Voici les normes de cuisson pour différentes spécifications de cellules :

Injection de liquideLe processus de fabrication des batteries au lithium comprend un test d'humidité des cellules précuites. Ce n'est qu'après avoir atteint les normes de précuisson que l'on peut passer à l'étape suivante : l'injection de l'électrolyte. Les cellules précuites sont rapidement placées dans une boîte à gants sous vide, pesées et leur poids est noté. On place ensuite le godet d'injection et on y verse la quantité d'électrolyte prévue (généralement par immersion : la cellule est placée au centre du godet). On immerge ensuite le noyau de la cellule dans l'électrolyte et on le laisse tremper pendant un certain temps afin de tester sa capacité d'absorption maximale (on remplit généralement la batterie selon le volume expérimental). On place ensuite la cellule dans une boîte à vide (vide ≤ -0,09 MPa) pour accélérer la pénétration de l'électrolyte dans l'électrode. Après plusieurs cycles, on retire les cellules et on les pèse. On vérifie si le volume d'électrolyte injecté correspond à la valeur prévue. S'il est insuffisant, il faut en rajouter. S'il est excessif, il suffit d'en retirer l'excédent jusqu'à obtenir le volume requis. L'environnement de la boîte à gants nécessite une température ≤23℃ et un point de rosée ≤-45℃.

SoudageLors de la fabrication de cette batterie au lithium, le couvercle doit être placé au préalable dans la boîte à gants. Fixez-le d'une main sur le moule inférieur de la machine à souder à ultrasons, tout en maintenant le noyau de la batterie de l'autre. Alignez la borne positive de l'élément avec la borne du couvercle. Après vérification de cet alignement, activez la machine à souder à ultrasons, puis actionnez sa pédale. Enfin, inspectez minutieusement la batterie pour contrôler la qualité des soudures.

Vérifiez si les languettes de soudure sont alignées.

Tirez doucement sur la languette de soudure pour vérifier si elle est desserrée.

Les batteries dont le couvercle n'est pas solidement soudé doivent être ressoudées.