La fabrication de batteries au lithium-ion et d'autres accumulateurs haute performance nécessite un air pur et extrêmement sec. La mise à disposition de ces derniers est un processus extrêmement gourmand en énergie. Les solutions de déshumidification utilisées jusqu'à présent consomment beaucoup d'électricité et sont donc des facteurs de coûts. Ce projet QueEn, financé par le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche (BMBF), développe de nouvelles solutions pour une fabrication de batteries au lithium-ion efficace sur le plan énergétique et économique. Il s'agit d'explorer l'utilisation de mini-environnements proches du processus au lieu de grandes salles sèches. Weiss Klimatechnik assure une gestion innovante de l'air.
Le projet QueEn rend la fabrication de cellules de batterie plus efficace sur le plan énergétique
Le projet QueEn réunit des entreprises et des instituts de recherche de premier plan. Outre Weiss Klimatechnik, le consortium comprend l'institut Fraunhofer Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB), le constructeur d'installations FFT Produktionssysteme, Fraunhofer IPA et le fabricant de batteries Varta. L'acronyme QueEn signifie « Qualitätsorientierte und energiebedarfsreduzierte Anlagentechnik für die LIB- und NextGen-Produktion in Mini-Environments » (technique d'installation orientée vers la qualité et à faible consommation d'énergie pour la production de LIB et de NextGen dans des mini-environnements). L'objectif du projet est de rendre la production de cellules de batteries plus économique et plus respectueuse de l'environnement grâce à des concepts de climatisation innovants, afin de renforcer la compétitivité de la production de cellules de batteries allemande et européenne par rapport à d'autres sites de production internationaux.
Un point de rosée plus bas est un défi pour la climatisation
La fabrication de batteries au lithium-ion nécessite un air ambiant extrêmement sec. « Les matériaux utilisés dans les batteries haute performance sont particulièrement sensibles à l'humidité. Même de petites quantités d'eau peuvent former des substances hautement réactives et toxiques comme l'acide fluorhydrique », explique Martha Willmot, chef de projet Weiss Klimatechnik chez QueEn, pour expliquer les défis posés à la technologie des salles sèches et des salles blanches. Jusqu'à présent, les batteries Li-ion sont produites dans de grandes salles sèches avec des volumes d'air correspondants. Pour y atteindre la siccité requise avec un point de rosée de -40 °C, d'énormes quantités d'énergie sont nécessaires. De nouveaux matériaux pour les cathodes et l'électrolyte permettront à l'avenir d'obtenir une densité énergétique plus élevée et nécessiteront probablement un point de rosée de -60 °C. Les batteries à électrolyte liquide ne sont pas encore disponibles. « Cela consomme énormément d'énergie, coûte très cher et est mauvais pour l'environnement », explique Willmot. Compte tenu des prix élevés de l'énergie, la production de cellules de batteries en Europe n'est donc actuellement pas compétitive par rapport aux fabricants asiatiques.
Économiser jusqu'à 77% d'énergie avec les mini-environnements
Au lieu de recourir à de grandes salles blanches et sèches, les partenaires du projet QueEn misent sur l'utilisation de mini-environnements efficaces sur le plan énergétique dans un processus entièrement enchaîné avec des sas entièrement automatisés. Il s'agit de créer des zones d'air propre compactes, fermées et localisées, allant de la salle blanche à la classe de salle blanche ISO 6, dans lesquelles l'air sec et pauvre en particules, avec un point de rosée de -60 °C, est acheminé de manière ciblée vers le point d'utilisation, tandis que des conditions climatiques modérées suffisent dans le hall de production. Selon nos premiers calculs, la concentration sur les mini-environnements peut réduire jusqu'à 77 % les besoins en énergie pour la production de batteries Li-ion.
Expérience en climatisation et en fabrication de batteries demandée
Dans le projet QueEn, Weiss Klimatechnik est responsable de la mise à disposition de l'air sec, tempéré et pauvre en particules, entre autres lors du remplissage d'électrolyte dans des mini-environnements extrêmement compacts. « C'est le leader de la fabrication des cellules de batterie et du projet », explique Martha Willmot. En tant que leader technologique, le spécialiste des salles blanches développe également le système central de gestion de l'air pour les mini-environnements sur la base de son expérience dans la production de semi-conducteurs. Sur le plan technologique, le séchage par adsorption, qui a fait ses preuves, est utilisé pour garantir des points de rosée extrêmement bas. Grâce à une technique de commande optimisée et à une régulation intelligente de la pression, l'air peut être conditionné avec précision. Des capteurs mesurent la qualité de l'air directement aux points de processus et permettent un réajustement rapide et précis, même pendant le processus de fabrication en cours.
Protection optimale des personnes, du produit et du processus
Outre les énormes économies d'énergie, les mini-environnements offrent d'autres avantages pour une production sûre et de haute qualité de cellules de batteries. L'environnement de production pur et séparé crée non seulement les conditions d'air sec appropriées, mais protège également les cellules de batterie à fabriquer et le processus de fabrication d'autres influences perturbatrices, comme par exemple les particules ou l'apport d'humidité par l'homme. Cela permet d'éviter des réactions indésirables et des pannes, allant de la formation de gaz toxiques aux courts-circuits et aux incendies. En outre, les mini-environnements améliorent la protection et les conditions de travail des opérateurs de l'installation. Ils peuvent travailler dans des halls d'usine avec une humidité normale et agréable pour l'homme et sont protégés contre les fuites de gaz et d'acides par des mesures spéciales en cas d'incidents au point d'utilisation.
Proof-of-Concept (preuve de concept) réussie
Le projet QueEn se trouve sur une voie prometteuse en ce qui concerne la mise en œuvre des mini-environnements. Weiss Klimatechnik a déjà réalisé la Proof-of-Concept. Deux prototypes seront livrés à l'institut Fraunhofer à la fin de l'année et mis en service dans un grand démonstrateur. D'autres optimisations seront effectuées jusqu'à la fin du projet en 2026. Martha Willmot espère que certaines des solutions développées pourront être brevetées. Le projet QueEn montre par quel biais la coopération entre les instituts de recherche et les partenaires industriels peut renforcer la place économique européenne et la consolider à long terme.