Analyse comparative des procédés d'empilage et d'enroulement dans la fabrication de batteries au lithium

1. Principes du processus

Processus d'empilement :

Les feuilles d'anode et de cathode sont découpées aux dimensions spécifiées, puis laminées avec des séparateurs pour former des cellules unitaires. Ces cellules unitaires sont empilées en parallèle pour créer des modules de batterie.

Processus d'enroulement :

Des feuilles d'anode, de séparateur et de cathode prédécoupées sont enroulées selon une séquence définie autour d'un mandrin fixe, puis comprimées en formes cylindriques, elliptiques ou prismatiques. Les électrodes d'enroulement sont ensuite logées dans des boîtiers métalliques cylindriques ou prismatiques. Les dimensions des électrodes et le nombre de tours d'enroulement sont déterminés par la capacité nominale de la batterie.

2. Comparaison des performances électrochimiques

Les cellules empilées présentent une résistance interne plus faible grâce au soudage parallèle de plusieurs languettes, ce qui raccourcit les voies de migration des ions lithium. Cela réduit la production de chaleur en fonctionnement et ralentit la dégradation initiale de la densité énergétique. En revanche, les cellules bobinées utilisent un courant délivré par une seule languette, ce qui entraîne une résistance interne plus élevée.

Cycle de vie :

Les cellules empilées offrent une gestion thermique supérieure, permettant une distribution uniforme de la chaleur. Les cellules bobinées présentent des propriétés structurelles et mécaniques variables, ce qui entraîne une dissipation thermique inégale et des gradients de température localisés. Cela accélère la perte de capacité et réduit la durée de vie des cellules bobinées.

Contrainte mécanique de l'électrode :

Les électrodes empilées subissent des contraintes mécaniques uniformes sans concentration localisée, minimisant ainsi les dommages aux couches de matériau lors des cycles de charge/décharge. Les cellules bobinées développent des concentrations de contraintes aux points de flexion, augmentant les risques de défaillance structurelle, de courts-circuits et de dépôt de lithium sous charge électrique.

Capacité de débit :

Les cellules empilées offrent des performances améliorées grâce à la parallélisation des chemins de courant entre plusieurs couches d'électrodes, permettant une décharge plus rapide des courants élevés. Les cellules bobinées sont limitées par l'architecture à languette unique.

Conception de la densité énergétique :

L'empilement optimise l'utilisation de l'espace de conditionnement, maximisant la charge en matière active pour une densité énergétique plus élevée. Les cellules d'enroulement souffrent d'un manque d'espace dû à la géométrie incurvée des électrodes et à la configuration des séparateurs à double couche.

3. Avantages du processus

Processus d'empilement :

• Capacité volumétrique élevée : une utilisation supérieure de l'espace permet une capacité plus élevée dans des volumes équivalents.
• Densité énergétique élevée : plateau de tension de décharge et capacité volumétrique plus élevés.
• Flexibilité de conception : les dimensions d'électrodes personnalisables prennent en charge les géométries de cellules non standard.

Processus d'enroulement :

• Soudage par points simplifié : Ne nécessite que deux points de soudage par cellule.
• Évolutivité de la production : la configuration simplifiée à deux électrodes rationalise le contrôle du processus.
• Découpe efficace : l'opération de découpe d'anode/cathode unique réduit les taux de défauts.

4. Limitations du processus

Processus d'empilement :

• Risques liés au soudage à froid : le laminage à plusieurs languettes augmente la susceptibilité aux soudures incomplètes.
• Faible efficacité de l'équipement : les machines d'empilage nationales fonctionnent à 0,8 s/couche contre 0,17 s/couche pour leurs homologues importées.

Processus d'enroulement :

• Pertes de polarisation élevées : la conception à languette unique exacerbe la polarisation interne, dégradant ainsi les performances de débit.
• Défis de gestion thermique : la difficulté de mettre en œuvre une isolation thermique intercellulaire augmente les risques d’emballement thermique.
• Variabilité de l'épaisseur : l'inhomogénéité structurelle entraîne une épaisseur inégale au niveau des languettes, des bords des séparateurs et des côtés des cellules.

5. Conclusion

Les procédés d'empilement et d'enroulement présentent des compromis spécifiques dans la fabrication des batteries au lithium. L'empilement excelle en termes de densité énergétique, de performances thermiques et de flexibilité de conception, ce qui le rend idéal pour les véhicules à énergies nouvelles et les systèmes de stockage d'énergie. L'enroulement offre des avantages en termes de rentabilité et d'évolutivité pour les applications à haut volume comme l'électronique grand public. Les avancées technologiques continues optimiseront encore davantage ces deux méthodologies, stimulant ainsi l'innovation dans l'industrie des batteries au lithium..

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