D'autre part, des batteries de grande capacité, conditionnées dans des conteneurs, sont nécessaires au stockage d'énergie dans les applications résidentielles, commerciales et industrielles afin de garantir la stabilité des réseaux d'énergie verte de demain.
 
Offre et demande de batteries :
grâce à des investissements et une planification sans précédent, la Corée et la Chine sont devenues les principaux pays producteurs de batteries. La Chine est le premier fabricant mondial de batteries lithium-ion, assurant environ 80 % de la production mondiale. Le cabinet de conseil McKinsey & Company prévoit que la capacité de production totale de la Chine atteindra environ 1 220 GWh d'ici 2025.
 
Alors que les gouvernements occidentaux entament leur transition d'une mobilité basée sur les énergies fossiles vers des véhicules électriques – afin de respecter les objectifs environnementaux fixés par l'Accord de Paris –, une capacité de production locale de batteries est indispensable. Par conséquent, la capacité de production de batteries au lithium en Europe augmente, les fabricants locaux et les investisseurs étrangers se préparant à répondre à la demande. Des projets de nouvelles usines et d'extension des installations existantes ont été annoncés, qui pourraient porter la capacité de production de batteries lithium-ion à près de 500 GWh d'ici 2025 et potentiellement à près de 800 GWh d'ici 2030.
 
Les batteries destinées aux marchés de l'automobile, de la mobilité électrique et des applications générales peuvent être fabriquées avec des cellules cylindriques aux dimensions standard, comme le format 18650 (18 mm de diamètre, 65 mm de longueur), ou avec des cellules plates de dimensions standard ou sur mesure. Les cellules plates peuvent être prismatiques, généralement logées dans un boîtier carré en aluminium soudé, ou de type poche flexible. Si les cellules cylindriques offrent une résistance et une durabilité élevées, les cellules plates permettent une meilleure utilisation de l'espace au sein de la batterie. Les cellules de type poche, sans boîtier métallique, sont les plus compactes et les plus légères, bien qu'elles nécessitent généralement un support mécanique supplémentaire.
 
Fabrication de batteries sûres et abordables :
la fabrication de batteries, quel que soit leur type, commence par la préparation et l'application de revêtements actifs et conducteurs sur les feuilles d'électrodes, puis par leur lamination. La précision et la répétabilité sont essentielles pour garantir la constance de caractéristiques telles que la composition et l'épaisseur du revêtement. Le réglage fin des paramètres des cellules au sein de la batterie contribue à assurer sécurité et longévité.
 
La rapidité et l'efficacité sont également cruciales, notamment pour des marchés sensibles aux prix comme l'industrie automobile. L'autonomie et l'accessibilité financière sont deux enjeux majeurs qui influencent l'adoption généralisée des véhicules électriques. La batterie joue un rôle déterminant sur chacun d'eux. Augmenter la capacité de la batterie se traduit par une plus grande autonomie, mais aussi par un coût plus élevé du véhicule. Ce coût devrait être comparable à celui des véhicules thermiques classiques vers 2025, et les ventes de véhicules thermiques neufs devraient cesser sur les principaux marchés occidentaux et en Chine à partir de 2030 environ. Les fabricants doivent réduire le coût des batteries pour véhicules électriques. Si les économies d'échelle y contribueront certainement, maximiser la productivité de la production est également essentiel pour assurer une large diffusion de l'automobile après la disparition progressive du moteur thermique.
 
L'automatisation est la clé pour atteindre la rapidité et la répétabilité nécessaires pour garantir la fiabilité et la rentabilité. Des équipements automatisés sur mesure sont souvent utilisés pour des procédés tels que la préparation et le revêtement des feuilles d'électrodes, leur enroulement, leur découpe en bandes et leur soudage.
 
Pour construire une cellule cylindrique, les bandes de feuilles sont enroulées afin de former le noyau de la cellule, comprenant l'anode, le séparateur et la cathode, qui est ensuite inséré dans le boîtier cylindrique. Ce dernier est rainuré pour maintenir le noyau en place, rempli d'électrolyte, scellé, puis les contacts externes sont fixés. Les cellules plates sont fabriquées selon une séquence similaire, qui comprend l'empilement des couches d'électrodes, le soudage du boîtier prismatique, puis la mise en forme et le scellage du sachet par thermoscellage et mise sous vide. Les cellules et les blocs-batteries subissent des tests électriques et un contrôle automatisé par rayons X afin de garantir leurs performances et leur intégrité.
 
Automatisation flexible :
L'introduction de robots dans la chaîne de fabrication offre des avantages tels que des cycles de production rapides et un fonctionnement précis et répétable. De plus, l'intégration du système est accélérée grâce à l'utilisation de robots programmables disponibles dans le commerce. Parmi les autres avantages, citons une grande facilité d'adaptation, avec la possibilité d'ajuster l'agencement de l'usine et les processus d'assemblage en fonction de l'évolution des demandes du marché et des exigences des clients.
Yamaha fournit ses robots aux fabricants de batteries en Chine et en Corée, au cœur des industries de fabrication de batteries les plus importantes et les plus performantes du marché. Ces robots exécutent des étapes clés de la chaîne de production. En Chine, plus de 3 000 robots SCARA sont actuellement déployés dans la fabrication de batteries. Ils sont largement utilisés pour le chargement et le déchargement de matériaux, de composants et d'assemblages semi-finis, permettant ainsi aux batteries de passer d'une étape de fabrication automatisée à l'autre.
 
Précision et rapidité sont, bien entendu, indispensables à ces opérations de chargement et de déchargement. La répétabilité et la fiabilité le sont tout autant ; les exigences élevées du marché impliquent souvent une production continue, 24 h/24 et 7 j/7. Les plus grandes marques de batteries ont choisi les robots SCARA YKXG de Yamaha pour ces applications (Figure 1). Leur mécanisme d'entraînement sans courroie haute performance, avec moteurs à axe vertical et vis à billes à entraînement direct, garantit un fonctionnement continu et précis pendant de longues périodes. Les pertes de mouvement, ainsi que la dégradation et les risques de casse associés aux systèmes d'entraînement par courroie classiques, sont ainsi éliminés. L'absence d'entretien de ce système d'entraînement sans courroie contribue également à réduire les coûts d'exploitation.

Figure 1. Les robots SCARA YKXG de Yamaha se caractérisent par leur transmission sans courroie et leur capacité de charge élevée.
 
L'adoption généralisée des véhicules électriques a engendré une forte demande du marché pour une plus grande autonomie. Par conséquent, les constructeurs automobiles exigent des batteries de plus grande capacité. La série YKXG répond parfaitement à cette tendance, avec une capacité de charge maximale de 20 kg pour la manipulation de batteries volumineuses et de packs de batteries partiellement assemblés. La conception spécifique de l'axe R de Yamaha permet un moment d'inertie élevé, ce qui permet au robot de manipuler des masses importantes, d'optimiser l'accélération et la décélération, et de maintenir sa stabilité, garantissant ainsi un temps de cycle rapide.
 
Les robots cartésiens sont également largement utilisés pour les opérations de scellage lors de l'assemblage de cellules de batteries carrées. La durabilité et la fiabilité sont essentielles au maintien de la productivité. Les robots cartésiens de Yamaha (Figure 2) intègrent des résolveurs pour la détection de position qui ne contiennent aucun composant électronique ni élément optique et sont donc insensibles à la graisse ou à la poussière en usine. Il en résulte une fiabilité exceptionnelle et une précision constante. De plus, les guides de contact des rails du robot cartésien bénéficient d'une conception à deux points qui minimise le frottement et prévient les fluctuations d'alignement, même sous fortes charges.
 
 Figure 2. Les robots cartésiens offrent précision et répétabilité grâce à l'alliance de la robustesse mécanique et de commandes fiables.
 
Si les robots mono-axe sont fréquemment utilisés dans tous types d'usines, les modules de transport linéaire LCMR200 de Yamaha assurent un transport local rapide, précis et flexible entre les processus et au sein des cellules d'assemblage pour les applications nécessitant un transport d'articles à grande vitesse (Figure 3). Dans les usines de batteries, ils sont souvent privilégiés pour transporter les ensembles finis vers le contrôle par rayons X. Grâce à leur connexion et coordination précises, l'installation d'un module LCMR200 de chaque côté de l'obturateur de protection à l'entrée de la machine à rayons X permet d'acheminer les ensembles vers le processus de contrôle tout en garantissant la sécurité des opérateurs à proximité.
 
 

 
Figure 3. Les modules de transport LCMR200 assurent un transport flexible des pièces.
 
 
Aujourd'hui, plus de 80 % des processus de fabrication des batteries lithium haute performance sont automatisés, grâce à une combinaison d'automatisation industrielle traditionnelle et de robots programmables et flexibles, optimisant ainsi la qualité et la productivité.
 
Fort de sa vaste expérience en Asie, notamment grâce à sa collaboration avec les principaux fabricants de batteries et intégrateurs de systèmes, Yamaha met désormais son expertise au service du développement de la production de batteries de nouvelle génération en Europe.
 
Conclusion :
L'automatisation de certaines étapes de l'assemblage des batteries par des robots permet aux fabricants de produire des batteries répondant aux spécifications les plus exigeantes, tout en respectant des contraintes budgétaires très strictes. Cette robotisation, qui garantit un assemblage rapide et de haute qualité, offre également flexibilité et évolutivité. Dotés de fonctionnalités uniques améliorant la précision et la durabilité, et ayant fait leurs preuves dans les principales régions productrices de batteries, les robots contribuent à assurer un approvisionnement suffisant en batteries abordables pour répondre à la demande croissante des différents marchés mondiaux.

Article fourni par la section FA de Yamaha Robotics