Les batteries en sachet sont devenues un élément clé du stockage d'énergie moderne, alimentant des appareils allant des smartphones aux véhicules électriques (VE) grâce à leur densité énergétique élevée, leur flexibilité et leur légèreté. Au cœur de la production de ces batteries se trouve un équipement essentiel : la bobineuse. Cet outil spécialisé transforme les feuilles d'électrodes plates et les séparateurs en une structure cylindrique compacte, le « jelly roll », qui constitue le cœur de chaque batterie en sachet.

1. Rôles principaux de Machines à enrouler dans la production de batteries en sachet

Les machines à enrouler remplissent trois fonctions indispensables qui ont un impact direct sur la qualité, la sécurité et les performances des batteries de poche :

1. Intégration de la couche de précision

Les bobines de batteries en sachet sont constituées de couches alternées d'électrodes positives (généralement revêtues de matériaux à base de lithium comme le NMC ou le LFP), d'électrodes négatives (souvent en graphite ou en silicium) et de séparateurs poreux (en polyéthylène ou en polymères revêtus de céramique). Le rôle principal de la bobineuse est d'aligner ces couches avec une précision de l'ordre du micron pendant le processus de bobinage. Un défaut d'alignement de 0,1 mm seulement peut provoquer des courts-circuits internes, réduire la densité énergétique ou provoquer un emballement thermique, des défaillances catastrophiques compromettant la sécurité de la batterie. Par exemple, dans les batteries en sachet de qualité VE, les bobineuses assurent un alignement des électrodes à ± 0,05 mm, une tolérance qui minimise le contact entre les électrodes positive et négative tout en maximisant l'efficacité du transport ionique. .

2. Contrôle de la tension pour l'intégrité structurelle

Les séparateurs et les feuilles d'électrodes sont des matériaux fragiles, souvent d'une épaisseur de seulement 10 à 20 μm. Une tension excessive lors du bobinage peut Un étirement ou une déchirure des séparateurs crée des espaces permettant le contact des électrodes. Une tension insuffisante entraîne des couches lâches qui se déplacent pendant le cycle de la batterie. Les machines à bobiner relèvent ce défi grâce à des systèmes avancés de contrôle de la tension qui ajustent la force de manière dynamique à mesure que le diamètre du Jelly Roll augmente. Cette précision garantit une densité constante du Jelly Roll, essentielle à une distribution ionique uniforme et à une longue durée de vie. Des tests réalisés par le fabricant de batteries CATL montrent qu'un contrôle optimisé de la tension prolonge la durée de vie de la batterie en sachet de 25 % et réduit la perte de capacité de 18 % sur 1 000 cycles de charge-décharge. .

3. Évolutivité et personnalisation de la production

Les machines de bobinage modernes allient évolutivité et flexibilité, s'adaptant à divers modèles de batteries en sachet. En laboratoire, les machines de bobinage de paillasse permettent la production de petites séries pour les tests de matériaux, permettant aux chercheurs de prototyper des jelly rolls avec des séquences de couches personnalisées (par exemple, pour les batteries en sachet à semi-conducteurs ou sodium-ion). Les machines industrielles, quant à elles, fonctionnent à des vitesses allant jusqu'à 30 mètres par minute, produisant des centaines de jelly rolls par heure pour des applications grand public. Cette polyvalence rend les machines de bobinage essentielles pour la R&D et la production commerciale, permettant une transition fluide entre les tests en laboratoire et la production à grande échelle. .

2. Principe de fonctionnement de Machines d'enroulement de batteries en pochette

Le processus d'enroulement comprend quatre étapes séquentielles, chacune régie par des contrôles mécaniques et électroniques précis. contrôles :

Étape 1 : Préparation et alimentation du matériel

Avant le début du bobinage, les feuilles d'électrodes et les séparateurs sont chargés sur des bobines de dévidage. Chaque bobine est équipée d'un capteur de tension qui transmet des données en temps réel au système de contrôle de la machine. Les électrodes sont prédécoupées à des longueurs spécifiques (de 10 cm pour l'électronique grand public à 2 mètres pour les batteries de véhicules électriques) et comportent des languettes d'extension, des bandes métalliques reliant le rouleau aux bornes externes de la batterie. Les séparateurs, plus larges que les électrodes pour éviter tout contact avec les bords, sont alimentés par des bobines séparées et positionnés de manière à encapsuler complètement les couches d'électrodes. .

Étape 2 : alignement initial des couches

Le processus d'enroulement commence par un mandrin, un noyau cylindrique qui tourne pour former le gâteau roulé. Les bords d'attaque de l'électrode positive, du séparateur et de l'électrode négative sont alignés avec précision à la surface du mandrin grâce à des capteurs optiques et des servomoteurs. Cet alignement initial est crucial : la machine ajuste la position de chaque couche à ± 0,02 mm près grâce aux informations fournies par les caméras qui capturent des images haute résolution des bords du matériau. Une fois aligné, le mandrin commence à tourner à une vitesse contrôlée (500 à 2 000 tr/min pour les machines industrielles), tirant les couches en une spirale serrée. .

Étape 3 : Réglage dynamique de la tension

À mesure que le jelly roll grossit, le système de contrôle de tension de la machine module la force appliquée à chaque bobine en cours de déroulement. La tension est généralement maintenue entre 5 et 20 N, les séparateurs nécessitant une tension plus faible (5 à 10 N) pour éviter tout dommage et les électrodes une tension plus élevée (10 à 20 N) pour assurer un compactage serré. Les systèmes avancés utilisent des contrôleurs proportionnels-intégraux-dérivés (PID) pour ajuster la tension 100 fois par seconde, compensant ainsi les variations de diamètre de la bobine et de rigidité du matériau. Certaines machines haut de gamme intègrent également des capteurs de couple sur le mandrin pour surveiller la densité du jelly roll et effectuer des ajustements en temps réel afin d'éviter toute surcompression ou tout relâchement. .

Étape 4 : Découpe et extraction du Jelly Roll

Une fois que le jelly roll atteint le diamètre cible (déterminé par la taille et la capacité de la batterie), la bobineuse arrête sa rotation. Un outil de coupe de précision coupe l'excédent de matériau d'électrode et de séparateur, et un élément chauffant scelle le bord du séparateur pour empêcher l'effilochage. Le mandrin se rétracte ensuite et le jelly roll fini est éjecté sur un tapis roulant pour le traitement ultérieur, comprenant l'injection d'électrolyte, le scellage du sachet et le cycle de formation. Tout au long de cette étape, des lecteurs de codes-barres étiquettent chaque jelly roll avec les données de production (temps d'enroulement, réglages de tension, précision d'alignement, etc.) pour assurer le suivi du contrôle qualité. .

3. Paramètres techniques clés et innovations

Les performances d'une bobineuse sont définies par plusieurs paramètres critiques, notamment la vitesse d'enroulement, la précision d'alignement, la plage de réglage de la tension et la tolérance de diamètre du rouleau de gelée. Les machines industrielles fonctionnent généralement à une vitesse de 10 à 30 m/min, avec une précision d'alignement de ± 0,05 mm et une tolérance de diamètre de ± 0,1 mm. Les machines de laboratoire privilégient la précision à la vitesse, offrant une précision d'alignement de ± 0,02 mm pour le prototypage en petites séries. .

Les innovations récentes ont amélioré les capacités des machines à enrouler pour répondre aux exigences des batteries de poche de nouvelle génération :

Conception à double mandrin : les machines industrielles disposent désormais de deux mandrins qui alternent entre l'enroulement et l'extraction, doublant ainsi l'efficacité de la production sans sacrifier la précision .

Compatibilité des batteries à semi-conducteurs : les machines d'enroulement modifiées avec des réglages de tension plus faibles et des mandrins chauffés gèrent les séparateurs plus épais et plus rigides utilisés dans les batteries à semi-conducteurs, garantissant une intégration uniforme des couches sans endommager les électrolytes solides. .

Leur capacité à aligner les couches avec une précision micrométrique, à contrôler la tension dynamiquement et à s'adapter aux divers besoins de production influence directement les performances, la sécurité et l'évolutivité des batteries. À mesure que l'industrie évolue vers une densité énergétique plus élevée et des chimies de batteries plus sûres, telles que les anodes en silicium et les électrolytes solides, les machines de bobinage continueront d'évoluer, intégrant des capteurs avancés, des commandes par IA et des conceptions spécialisées. Pour les chercheurs comme pour les fabricants, la maîtrise de la science des machines de bobinage est essentielle pour exploiter pleinement le potentiel des batteries en sachet et alimenter l'électrification de demain.