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Toutes sortes de véhicules (des vélos électriques aux drones, en passant par les petites citadines, les camions, les bus et autres véhicules électriques) ont besoin d’accumulateurs lithium de haute qualité mais abordables, de différentes puissances. D’un autre côté, il faut aussi de gigantesques systèmes de stockage de batteries, de la taille d’un conteneur, afin d’assurer la stabilité des réseaux électriques verts de demain pour les applications domestiques, commerciales et de distribution d’énergie.

L’offre et la demande de batteries

Grâce à des investissements et à une planification historiques, la Corée et la Chine sont devenues les premiers pays producteurs de batteries. La Chine est le plus gros fabricant de batteries lithium-ion au monde, avec environ 80 % de la production mondiale. D’après le cabinet de conseil McKinsey & Company, la capacité de production totale de la Chine devrait avoisiner les 1 220 GWh d’ici 2025.

Les gouvernements occidentaux ont déjà commencé à programmer leur transition de l’énergie fossile aux véhicules électriques, de façon à atteindre les objectifs climatiques définis par l’Accord de Paris. Il leur faut donc des capacités de fabrication de batteries au niveau local. Les fabricants locaux et les investisseurs étrangers se préparent ainsi à répondre à cette demande, et la capacité de l’Europe à fabriquer des batteries au lithium augmente. Plusieurs projets de construction ou d’extension d’usines ont été annoncés, qui pourraient porter la capacité de production de batteries lithium-ion à près de 500 GWh d’ici 2025 et 800 GWh d’ici 2030.

Les blocs-batteries destinés aux marchés de l’automobile, de l’e-mobilité et au grand public en général peuvent être fabriqués à l’aide de cellules cylindriques de format standard, comme le 18650 (diamètre de 18 mm et longueur de 650 mm), ou de cellules plates de taille standard ou personnalisée. Les cellules plates peuvent être de type prismatique, généralement logées dans un boîtier carré soudé en aluminium, ou des cellules à poche. Les cellules cylindriques présentent une résistance et une durabilité élevées, mais les cellules plates permettent d’optimiser l’espace dans le bloc-batterie. Les cellules à poche, sans boîtier métallique, sont les plus minces et légères, mais nécessitent généralement un support mécanique supplémentaire au sein de la batterie.

La fabrication de batteries à la fois sûres et abordables

Quel que soit le type de cellule, la fabrication commence par la préparation et l’application de matériaux actifs et conducteurs sur les feuilles d’électrodes, puis la stratification. La précision et la répétabilité sont extrêmement importantes pour garantir la constance des caractéristiques telles que la composition et l’épaisseur du revêtement. Les paramètres de la cellule doivent être parfaitement adaptés à l’intérieur de la batterie pour garantir la sécurité et la longévité.

La vitesse et l’efficacité n’en restent pas moins essentielles, en particulier pour les marchés sensibles au prix, comme l’automobile. L’autonomie et le coût sont deux éléments clés qui conditionnent l’adoption des véhicules électriques par le grand public. Or les batteries jouent un rôle important à ces deux niveaux. Plus la capacité de la batterie est élevée, plus l’autonomie est longue, mais plus le véhicule est coûteux. On prévoit que le coût d’un véhicule électrique sera équivalent à celui d’une voiture classique, avec un moteur à combustion, d’ici 2025 environ, et que la vente de voitures neuves à moteur à combustion s’arrêtera sur les principaux marchés occidentaux et en Chine vers 2030. Les fabricants doivent donc faire baisser le coût des batteries des véhicules électriques. Les économies d’échelle y contribueront certainement, mais la fabrication doit aussi gagner en productivité pour que l’achat de voitures puisse se poursuivre après l’interdiction des moteurs thermiques.

La clé de cette transition est l’automatisation, pour allier vitesse et répétabilité mais aussi fiabilité et économies. Des équipements automatisés personnalisés sont souvent utilisés pour gérer des processus comme la préparation et l’application de matériaux sur les feuilles d’électrodes, le laminage des feuilles, la découpe en bandes et la fixation des électrodes par soudage.

Pour fabriquer une cellule cylindrique, les bandes sont enroulées pour former un ensemble électrodes-séparateur, comprenant l’anode, le séparateur et la cathode, qui est ensuite inséré dans le boîtier cylindrique. Le boîtier est rainuré pour maintenir l’ensemble électrodesséparateur en place, rempli d’électrolyte, scellé et les contacts externes sont fixés. Les cellules plates sont produites en suivant les mêmes étapes : empilement des couches d’électrodes, soudage du boîtier prismatique ou formation et scellage de la poche à chaud et sous vide. Les cellules et blocs-batteries sont ensuite soumis à des tests électriques et à une inspection automatique par rayons X pour garantir leurs performances et leur intégrité.

Allier automatisation et flexibilité

L’introduction de robots à certaines étapes de la fabrication offre des avantages non négligeables : temps de cycles rapides, opérations précises et répétables. L’intégration des systèmes est aussi accélérée grâce aux robots programmables disponibles sur le marché. Entre autres avantages, citons la possibilité de les faire évoluer et d’adapter l’agencement de l’usine et les processus d’assemblage en fonction de l’évolution des demandes du marché et des besoins des clients.

Yamaha a fourni ses robots à plusieurs fabricants de batteries en Chine et en Corée, où se trouvent actuellement les acteurs les plus importants et les plus performants de l’industrie des batteries. Ces robots y réalisent certains processus de la séquence de fabrication. Plus de 3 000 robots SCARA sont actuellement déployés sur des sites de fabrication de batteries en Chine ! Ils sont largement utilisés pour le chargement et le déchargement des matériaux, des composants et des pré-assemblages entre deux processus de fabrication automatisés.

La précision et la vitesse élevée sont, à l’évidence, des impératifs lors de ces séquences de chargement et de déchargement. La répétabilité et la fiabilité le sont aussi, car lorsque la demande est forte, les usines tournent généralement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. De grandes marques de batteries ont choisi les robots SCARA YKXG de Yamaha pour leurs applications (Photo 1). Leur mécanisme d’entraînement sans courroie à haute performance, leurs moteurs à axe vertical et leurs vis à billes à entraînement direct permettent un fonctionnement continu pendant de longues durées, avec une précision constante. Il n’y a plus ni mouvement inutile, ni dégradation ou risque de casse typiques des équipements conventionnels à courroie. L’entraînement sans courroie et sans entretien réduit aussi les coûts de fonctionnement.

L’adoption massive des véhicules électriques a renforcé la demande d’une plus grande autonomie. Les constructeurs automobiles, eux aussi, exigent des blocs-batteries d’une capacité supérieure. La série YKXG a les qualités requises pour répondre à cette tendance, avec une charge utile maximale de 20 kg pour la manipulation de grandes cellules à poche et de pré-assemblages de batteries. L’axe R exclusif de Yamaha offre un temps d’inertie important, qui permet au robot de manipuler un poids conséquent, de maximiser l’accélération et la décélération et de maintenir la stabilité tout en garantissant un temps de cycle court.

Les robots cartésiens sont également largement utilisés pour effectuer les processus de scellage lors de l’assemblage de batteries carrées. La productivité dépend en grande partie de la durabilité et de la fiabilité. Sur ce point, les robots cartésiens de Yamaha (Photo 2) renferment des résolveurs de position sans composants électroniques ni capteurs optiques, qui ne peuvent donc pas être contaminés par de la graisse ou des poussières provenant de l’usine. Ils sont donc extrêmement fiables et d’une précision constante. Par ailleurs, les guides de contact présents sur les rails des robots cartésiens sont soutenus en deux points pour minimiser le frottement et éviter les écarts d’alignement, même lors de la manipulation de charges dont le moment d’inertie est élevé.

Outre les robots à axe unique souvent utilisés dans tous types d’usines pour les applications nécessitant un transport rapide des pièces, les modules de convoyage linéaire LCMR200 de Yamaha assurent un transport localisé rapide, précis et flexible entre plusieurs processus et au sein des cellules d’assemblage (Photo 3). Ils sont souvent choisis par les fabricants de batteries pour transporter les assemblages finis vers l’inspection par rayons X. Dans la mesure où plusieurs modules LCMR200 peuvent être connectés et coordonnés avec précision, l’installation d’un module de chaque côté du rideau de protection à l’entrée du système d’inspection à rayons X permet de transporter les assemblages tout au long du processus d’inspection en assurant la sécurité du personnel à proximité.

Globalement, plus de 80 % des processus impliqués dans la fabrication actuelle de batteries au lithium haute performance sont automatisés, en combinant l’automatisation traditionnelle des usines avec des robots flexibles et programmables, qui se complètent pour optimiser la qualité et la productivité.

Grâce à sa riche expérience dans toute l’Asie, notamment auprès des principaux fabricants de batteries et intégrateurs systèmes, Yamaha met aujourd’hui son savoir-faire au service du développement de la fabrication de batteries de pointe en Europe.

Conclusion

En ayant recours à des robots pour automatiser certaines étapes de l’assemblage des batteries, les fabricants sont capables de fabriquer des batteries répondant à des spécifications précises tout en respectant des contraintes budgétaires strictes. L’assemblage y gagne en rapidité et en qualité, mais aussi en flexibilité et en évolutivité. Les robots, grâce à leur précision et leur durabilité inégalée, sont devenus incontournables dans les principaux pays producteurs de batteries, et contribuent à assurer un large approvisionnement en batteries abordables pour répondre à la demande croissante des différents marchés mondiaux.