Fabrication des cellules

La fabrication des cellules va être décrite dans ce chapitre. Les variantes envisageables pour les étapes susceptibles de différer suivant les fabricants ou le format de cellule vont être présentées.

1.1.2.1 Empilage des cellules

La première étape est l’assemblage d’un élément constitué de couches d’électrodes positives et négatives en alternance avec une couche de séparateur. Ceci peut être fait de différentes manières, en fonction du type de cellule. Pour une cellule prismatique, le faisceau peut-être assemblé par plusieurs méthodes : un empilement feuille à feuille de couches indépendantes, un enroulement à plat des bandes, un enroulement cylindrique des bandes, écrasé pour obtenir un format prismatique, voire enfin, des combinaisons de ces techniques (122). Pour les cellules cylindriques, il s’agit directement d’un enroulement, simple et rapide à réaliser industriellement. Cet enroulement permet de plus d’assurer un très bon maintien des bandes d’électrodes et du séparateur.

En fonction de la méthode d’assemblage du faisceau d’électrodes, ainsi que de la conception de la cellule, il peut être nécessaire sur cette étape de réaliser de la découpe d’électrodes. Ainsi pour l’assemblage feuille à feuille, il faut justement découper les feuilles. En fonction de la conception de la cellule, il peut être nécessaire de découper des zones sur les collecteurs de courant, où les clinquants (Tabs) seront par la suite soudés. Ceci peut entraîner des chutes de collecteurs à cette étape.

1.1.2.2 Soudage des collecteurs de courant

Les clinquants de collecte du courant sont soudés à leurs terminaux respectifs (positifs et négatifs), généralement par une soudure ultrason. Cette procédure permet une connexion avec une résistance quasiment nulle et évite une surchauffe des électrodes au cours du processus de soudure. En fonction du type de cellules, la largeur et l’épaisseur des clinquants et des terminaux peut varier fortement.

1.1.2.3 Emboîtement de la cellule dans son container

Les faisceaux d’électrodes sont alors placés dans l’emballage prévu à cet effet. Pour les cellules en enveloppe souple, le film composite est préalablement embouti. Le faisceau est introduit entre deux films préformés par emboutissage, qui sont ensuite scellés thermiquement l’un à l’autre. Pour les cellules en boîtier rigide, la face supérieure du boîtier

est soudée sur les collecteurs de courant du faisceau d’électrode préalablement à l’emboitement. Après la soudure, le faisceau obtenu est introduit dans le boîtier, et la face supérieure est fixée par soudure laser. Enfin, pour les cellules cylindriques, les clinquants sont soudés au faisceau d’électrodes, et le couvercle au clinquant. Le bobineau est ensuite introduit dans le godet, qui est fermé avec le couvercle. Les soudures pratiquées sont des soudures laser.

1.1.2.4 Cycle de formation et test de validation

L’étape du cycle de formation consiste à charger la cellule pour la première fois. C’est au cours de cette première charge que va se former la couche de passivation sur l’électrode négative, appelée SEI pour Solid Electrolyte Interface, particulièrement importante dans le comportement ultérieur de la cellule. La façon dont est réalisée cette première charge va influencer les propriétés de cette SEI, et donc de la cellule. Elle est réalisée avec beaucoup de précaution, selon un protocole propre à chaque fabricant, et généralement secret.

De manière générale, les opérations consistent à charger la cellule avec une première charge lente partielle, éventuellement à une température supérieure à 40°C, pour former une SEI de qualité. La cellule est ensuite déchargée pour mesurer la capacité et l’impédance. Une recharge au niveau final désiré est enfin effectuée. Des tests sont effectués en parallèle sur les cellules, pour vérifier leur comportement, et enlever les cellules défectueuses du flux. Le nombre de rebuts à cette étape reflète donc la qualité de l’ensemble du procédé du fabricant. Des gaz sont formés dans la cellule au cours de cette étape. Pour les cellules en enveloppe souple, il est nécessaire de les évacuer, ce qui n’est pas le cas pour des cellules en boîtier rigide. La cellule est ouverte pour procéder à cette évacuation, puis la soudure finale est effectuée.

Etant donné qu’une dispersion minimale des performances entre cellules est souhaitable (la cellule la plus faible limitant la capacité globale du module (123)), et que la mise au point du procédé de fabrication est encore relativement récente, le taux de cellules testées ne répondant pas aux critères de performance semble être assez important chez les industriels. Nelson et al. considèrent ainsi que 5% des cellules en formation sont dans ce cas (47). Ceci représente un axe de progrès important, mais assez difficile à améliorer. Il nécessite en effet de détecter les étapes amont du procédé de fabrication à l’origine de ces défauts.

1.1.2.5 Gestion des salles anhydres

Une excellente gestion de l’humidité de l’air est nécessaire sur la ligne d’assemblage des cellules, jusqu’à ce que la cellule soit hermétiquement fermée. Une température maximale de point de rosée d’au moins -20°C doit être maintenue dans les salles où se déroule cet assemblage. Ceci permet de s’assurer d’une très faible humidité résiduelle dans les cellules. Le fonctionnement en salle blanche est aussi nécessaire pour minimiser les polluants potentiels (poussières et particules métalliques).