La tomographie par rayons-X pour l'inspection des batteries lithium pour l'e-mobilité

inspection batterie lithium par tomographie rayon

Dans un paysage énergétique en pleine évolution, la demande croissante en e-mobilité a propulsé l'industrie des batteries électriques au cœur de l'innovation. L’e-mobilité représente environ la moitié de la demande en batterie lithium sur le marché. À l'échelle mondiale, le marché de la fabrication de batteries connaît une croissance annuelle de plus de 15 % (Entre 2010 et 2022 les ventes de véhicules électriques sont passées de 120.000 à plus de 10 millions) entrainant notamment, la création des fameuses « gigafactories » à batteries pour palier à cette demande.

Des quantités avec une croissance exponentielle, et une conception de batteries plus performantes ont incité les fabricants à adopter des approches d'inspection et de contrôle qualité plus avancées afin de réduire les risques d’incendie, d’échecs et garantir une qualité accrue. Et pour permettre ces contrôles, les machines cmm et surtout la tomographie par rayons X a émergé comme un outil offrant une capacité inégalée pour examiner en profondeur la structure interne des batteries, analyser les matériaux et détecter les anomalies à une échelle micro et nano.

De l’expansion des batteries au contrôle qualité

Cette demande croissance présente à la fois des opportunités et des défis pour les fabricants de batteries électriques. Augmenter la production, améliorer la qualité des batteries, augmenter la capacité des batteries, rendre le processus de fabrication plus écologique etc… tout ça avec des intérêts financiers importants. C’est pourquoi les fabricants se tournent de plus en plus vers la tomographie et ses applications, car contrairement à toute autre technique de contrôle ou de mesure, la tomographie permet un contrôle non destructif et immersif des batteries ! Ce qui est essentiel car une fois fermée, la batterie est scellée et l’on ne peut plus l’ouvrir sans l’endommager.

Composition d'une batterie

L’e-mobilité ne signifie pas forcément le 100% électrique, tout comme ce n’est bien entendu pas que les voitures électriques, mais tout un écosystème qui s’est développé au fil des années.L’on y retrouve les drones, les trottinettes électriques, les vélos électriques, les bus, des bateaux, ou encore les avions ! Et si la taille des batteries diffère, le principe et les composants restent les mêmes. Pour les batteries lithium (qui sont les plus courantes actuellement sur le marché), l’on retrouvera toujours des cellules lithium-ion, une carte électronique, un système de câblage et son boitier. Pour donner un ordre d’échelle, un vélo électrique ou VAE, c’est entre 40 et 60 cellules lithium-ion pour produire une batterie. Et le principe de la batterie pour un véhicule électrique est exactement le même, mais à plus grande échelle. Saviez-vous qu’une voiture électrique représente environs 5000 à 8000 cellules lithium-ion, soit environs 130 VAE ! Ce qui représente environs 300 kg pour une citadine et 600 kg pour les gros modèles. La batterie d’une Tesla S 85 kW pèse 540 kg, soit plus du quart du poids de la voiture.

inspection batterie lithium par tomographie

Alors comment se compose et fonctionne une cellule ?

Une cellule de batterie se compose la plupart du temps des métaux suivants : lithium, cobalt, nickel, manganèse. Ce sont des métaux qui sont capables d’emmagasiner d’importants quantités d’énergie dans un format « compact » et dans pour une légèreté relative.

Une fois que ces métaux sont récoltés, ils sont fondus et façonnés en cellules électrochimiques.

Le cœur d'une batterie lithium-ion réside dans ses cellules individuelles, chacune composée de trois éléments clés : des électrodes, un électrolyte et un séparateur. (SCHEMA)

1. Électrodes :

· L'anode, là où se produit l’oxydation, accueille les ions lithium lors de la charge.

La cathode, stocke les ions lithium lors de la décharge.

2. Électrolyte :

Ce liquide conducteur permet aux ions de circuler entre les électrodes pendant la charge et la décharge, créant ainsi un courant électrique. Sa composition est souvent à base de sel de lithium que l’on dissout dans un solvant organique.

· Fonctionnement : quand la batterie est chargée, les ions sont dissous dans l’électrolyte et vont vers l’anode. Et quand la batterie est déchargée, les ions traversent l’électrolyte pour passer de l’anode à la cathode.

3. Séparateur :

Fine membrane constituée de petits pores pour laisser traverser les ions lithium, elle empêche tout contact entre l’anode et la cathode et assure la sécurité de la cellule.

La fabrication de cellules et donc de batteries n’est pas un process aisé et pour éviter tout court-circuit, problème, rebus, contrôler la production et le produit final est devenu important pour les fabricants.

Pourquoi utiliser les rayons X dans l’industrie de production de batteries à destination de l’e-mobilité ?

Face à une demande en forte croissance, des ressources avec un fort impact écologique et une industrialisation des process, les industriels et fabricants de batteries tendent de plus en plus à contrôler batteries et cellules tout au long de la chaine de production. Avec 3 objectifs en tête :

Standardisation et fiabilité : Avec l'augmentation de la production, la nécessité d'assurer une standardisation, une reproductibilité et une fiabilité des batteries est un des enjeux principaux. Chaque batterie doit répondre à des normes strictes de performance et de sécurité, ce qui nécessite des inspections et des contrôles qualité et cela à différents stades du processus.

Détection des défauts : La complexité d’analyse des batteries lithium-ion, vient notamment de leur composition chimique et leur intégrité structurelle, rendant la détection des défauts plus difficile. En effet, l’on ne peut pas simplement ouvrir une cellule pour vérifier que tout est correctement placé. Il faut forcément disposer d’une technologie permettant de voir au travers des matériaux pour pouvoir ainsi identifier des défauts tels que les courts-circuits internes, les inhomogénéités dans les matériaux actifs, et les problèmes de séparation. C'est là que la tomographie par rayons X devient un outil idéal, permettant une inspection non destructive en profondeur des composants internes des batteries. Cela permet d'identifier les batteries défectueuses dès les premières étapes de la production, réduisant ainsi les rebuts et les coûts associés.

Optimisation de la production : Le contrôle des batteries par la tomographie par rayons X aide non seulement à garantir la qualité des batteries produites mais aussi à optimiser les processus de production. En identifiant rapidement et précisément les défauts ou les variations dans les matériaux ou la chaine de production, les fabricants peuvent ajuster leurs procédés de fabrication pour minimiser les déchets et améliorer l'efficacité pour un meilleur rendement.

"À mesure que l'industrie des batteries électriques évolue, la nécessité d'une inspection minutieuse et précise pour garantir la performance, la sécurité et la durabilité des produits est un point essentiel pour les fabricants, surtout quand on sait que jusqu’à 30% peuvent aller au rebus. La tomographie par rayons X offre une vision microscopique à l'intérieur des batteries. Chez RX Solutions, nous sommes fiers de faire partie de l’alliance Upcell et ainsi d’accompagner les fabricants européens dans la qualification de leurs batteries, que ça soit en installant un tomographe directement chez eux, ou en fournissant nos services de prestations" – [Roland Le Floc’h – product manager RX Solutions]

La tomographie par rayons X permet d'inspecter avec précision les composants internes des batteries, assurant ainsi l'intégrité structurelle et le bon fonctionnement de chaque cellule, éléments vitaux pour la fiabilité des systèmes dans les véhicules électriques.

La tomographie par rayons X au service de la mobilité - Inspection d'une batterie lithium électrique

Grâce à une inspection non destructive des batteries et cellules, il est possible de voir en profondeur et jusqu’à une échelle nano le moindre petit défaut qui pourrait réduire la performance et la durée de vie de la batterie ou dans un scénario moins favorable, endommager la batterie, le véhicule et ou les espaces alentours.

inspection batterie lithium par tomographie rayons X

Mesure précise du dépassement des anodes et de leur rayon de courbure. Pour une performance et durée de vie optimisée.

L’objectif est d’éviter le placage de lithium, ou encore la délamination ou les fissures dans le matériau actif si l’overhang trop important. C’est pourquoi, l’anode de la cellule est plus longue que la cathode, mais doit respecter des dimensions comprises dans une limite très courte pour éviter tout disfonctionnements et soucis de sécurité comme des courts-circuits. En contrôlant et en optimisant soigneusement le dépassement il est possible d’améliorer l’efficacité, la capacité, la stabilité des cycles et les performances globales des batteries.

Tomographie cellule lithium

Live radio durant tomographie cellule lithium

Visualisation du overhang sur batterie lithium

Calcul et analyse de l'overhang sur cellule lithium

Tomographie cellule lithium

Live radio durant tomographie cellule lithium

Visualisation du overhang sur batterie lithium

Calcul et analyse de l'overhang sur cellule lithium

Vérification de la qualité des séparateurs poreux

La fonction d’un séparateur de batterie est de garantir la sécurité en évitant les courts-circuits qui se produiraient si l’anode et la cathode venaient à entrer en contact. Le séparateur se doit de retenir la matière tout en laissant passer les ions de l’anode à la cathode lorsque la batterie se charge et dans le sens inverse quand la batterie se décharge.

Détection du délaminage de matériaux

Le délaminage peut réduire la performance de la batterie, mais aussi sa durée de vie. Ce problème peut aussi bien se produire durant le cycle de fabrication, que plus tard durant la vie de la cellule. En effet, durant les multiples cycles de charge et décharge que subit la batterie, les électrodes sont constamment en train de se déformer, créant à force un vide et ainsi le délaminage. Les espaces sombres représentent les différents délaminages de cette cellule.

Particules étrangères

Des particules étrangères, souvent du cuivre ou de l’aluminium peuvent s’insérer dans les cellules d’une batterie à de nombreux moments de la chaine de production et le plus souvent durant le processus de découpe des électrodes. C’est pourquoi il est important de vérifier la taille, la quantité et la position de ces particules afin de déterminer si leurs présences est critique pour le bon cycle de vie de la batterie.

Inspection des soudures/brasures, des irrégularités dans les couches de la cellule ou au niveau de la structure

Afin de prévenir tout écoulement, ou réaction inflammable due à l’exposition à l’air et à l’eau il est important de vérifier la qualité des soudures aussi bien au niveau interne, qu’externe de la batterie afin de garantie l’étanchéité de la cellule. Tout le courant circulant via les soudures, des soudures non homogènes créeront des résistances électriques entre les composants, ce qui dégradera la qualité de la cellule et de la batterie.

Si l’on résume, l'essor de l'e-mobilité implique innovation et amélioration continue dans la conception et la fabrication des batteries électriques. En offrant une inspection non destructive et en profondeur des batteries, la tomographie par rayons-Xpermet de garantir la performance, la sécurité et la durabilité des batteries et cellules. Pouvoir inspecter l'intégrité structurelle des batteries offre de nombreux avantages et nouvelles perspectives :

- Amélioration de la standardisation et de la fiabilité des batteries
- Détection précise des défauts internes
- Optimisation des processus de production
- Réduction des rebuts et des coûts
- Meilleure compréhension des phénomènes internes pour une R&D plus efficace

En tant qu'entreprise française fabricante de tomographes à la pointe de la technologie, chez RX Solutions, nous sommes fiers de contribuer à cette évolution du secteur de l’e-mobilité, en fournissant des outils précis pour l'inspection des batteries électriques. Notre engagement envers le marché des batteries s'est concrétisé par notre adhésion à Upcell Alliance.Upcell Alliance est une association à but non lucratif qui vise à créer un écosystème européen unique, regroupant des acteurs de l'industrie des équipements et des machines de fabrication de batteries. L’objectif est de positionner l'Europe en tant que leader dans ce domaine, car de plus en plus de batteries sont produites chaque année en Europe.