Dans les usines animées où sont fabriquées les batteries lithium-ion cylindriques, que l'on trouve dans tous les domaines, des outils électriques aux véhicules électriques (VE) et à l'électronique portable, un équipement fonctionne silencieusement mais de manière indispensable : la batterie cylindrique.soudeuse par points à batterieAlors que la demande mondiale de batteries performantes et fiables explose – le marché des batteries pour véhicules électriques devrait à lui seul atteindre 1 100 milliards de dollars d'ici 2030 – cet outil de soudage spécialisé est devenu un élément clé de la production de batteries efficaces et de haute qualité. Ce reportage détaille le rôle crucial des soudeuses par points pour batteries cylindriques et la science qui sous-tend leur fonctionnement, révélant leur importance pour le bon fonctionnement de la chaîne d'approvisionnement mondiale en batteries.
PourquoiSoudeuses par points à batterie cylindriqueMatière : Rôles essentiels dans la production
Les batteries cylindriques, comme les formats 18650 et 21700, très répandus, nécessitent des connexions précises entre leurs composants internes pour fournir une puissance constante. Contrairement au brasage traditionnel, qui utilise du métal en fusion pour assembler les pièces, le soudage par points utilise la chaleur localisée du courant électrique pour créer des liaisons solides et à faible résistance, ce qui le rend idéal pour la fabrication de batteries, où même de minuscules défauts peuvent entraîner des baisses de performances ou des risques pour la sécurité. Voici les trois rôles les plus essentiels de cet outil :
1. Connexion des collecteurs de courant aux électrodes
Au cœur de chaque batterie cylindrique se trouve un « "jellyroll" » : un empilement serré de couches d'anode, de cathode et de séparateur. Pour extraire l'énergie de ce « jellyroll" », de minces collecteurs de courant métalliques (généralement en cuivre pour les anodes et en aluminium pour les cathodes) doivent être solidement fixés aux capuchons supérieur et inférieur de la batterie (appelés « "terminals" »). Les soudeuses par points pour batteries cylindriques effectuent cette tâche en délivrant de brèves impulsions électriques de forte intensité au collecteur et à la borne, faisant fondre leurs points de contact juste assez pour former une liaison métallurgique.
« Cette étape est décisive pour la performance de la batterie », explique le Dr Elena Marquez, experte en fabrication de batteries à l'Institut international des matériaux avancés. « Une soudure faible à cet endroit crée une résistance, ce qui gaspille de l'énergie sous forme de chaleur et réduit la durée de vie de la batterie. Les soudeuses par points garantissent une liaison solide et uniforme, essentielle pour les batteries de véhicules électriques qui doivent durer plus de 10 ans. »
2. Assemblage des packs de batteries
Les batteries cylindriques simples fonctionnent rarement de manière isolée ; les appareils comme les banques d'alimentation, les vélos électriques et les véhicules électriques nécessitent des blocs-batteries "", c'est-à-dire des dizaines, voire des centaines, de cellules câblées ensemble. Des soudeuses par points permettent de connecter les cellules cylindriques à des barres omnibus métalliques (bandes conductrices qui distribuent le courant à travers le bloc). Contrairement au câblage manuel, le soudage par points crée des connexions continues et à faible résistance qui minimisent les pertes d'énergie et réduisent le risque de surchauffe, un problème de sécurité majeur pour les blocs-batteries haute tension.
3. Assurer la sécurité et la fiabilité
Les batteries sont sujettes aux pannes en cas de déplacement ou de court-circuit de composants internes. Les soudeuses par points contribuent à la sécurité en créant des connexions rigides et inviolables qui résistent aux contraintes, des vibrations d'un véhicule électrique roulant sur des nids-de-poule aux variations de température d'un smartphone dans une poche. De plus, les soudeuses par points modernes sont équipées de capteurs qui surveillent la qualité de la soudure en temps réel : si une soudure est trop faible ou trop chaude (ce qui pourrait endommager le séparateur), la machine alerte les opérateurs, empêchant ainsi la commercialisation de batteries défectueuses.
Une étude réalisée en 2024 par le Battery Safety Consortium a révélé que 82 % des rappels de batteries au cours des cinq dernières années étaient dus à de mauvaises connexions électriques, soulignant ainsi le rôle du soudeur par points en tant que gardien de la sécurité.
Fonctionnement des soudeuses par points à batterie cylindrique : la science derrière l'étincelle
Bien que le soudage par points puisse sembler simple, il repose sur des principes physiques et techniques précis. Voici une description détaillée de son principe de fonctionnement, adapté aux applications de batteries cylindriques :
Étape 1 : Préparation de la pièce
Tout d'abord, les composants cylindriques de la batterie (par exemple, le collecteur de courant et la borne, ou la cellule et le jeu de barres) sont placés entre deux électrodes métalliques (souvent en alliage de cuivre, un alliage conducteur d'électricité résistant à la chaleur). Ces électrodes sont conçues pour s'adapter aux batteries cylindriques : elles sont courbées pour épouser la surface arrondie de la cellule, assurant ainsi un contact parfait avec le composant à souder.
Étape 2 : Appliquer une pression
Le bras mécanique du soudeur par points presse les électrodes contre la pièce avec une force contrôlée (généralement de 5 à 50 Newtons pour les cellules cylindriques). Cette pression assure un contact étroit entre les deux matériaux, éliminant les espaces qui pourraient bloquer le flux de courant ou créer des soudures fragiles. La pression est tout aussi importante que le courant, souligne Mark Chen, ingénieur chez Amada Miyachi, fabricant d'équipements de soudage. Trop peu de pression et le courant crée un arc au lieu de chauffer le métal ; trop forte et vous écrasez les composants fragiles de la batterie.
Étape 3 : Délivrance du courant de soudage
Une fois la pression appliquée, le soudeur envoie un courant électrique court et de forte intensité (1 000 à 10 000 ampères) à travers les électrodes et dans la pièce à souder. Le courant circule aux points de contact entre les deux matériaux, qui présentent une résistance électrique élevée. Cette résistance convertit l'énergie électrique en chaleur, portant rapidement la température à 1 500 à 2 000 °C (une température suffisante pour faire fondre la plupart des métaux utilisés dans les batteries).
Le point crucial est que le courant est délivré par impulsions (généralement de 10 à 100 millisecondes) plutôt que par flux continu. Ce soudage pulsé empêche la surchauffe : la brève impulsion ne fait fondre que la surface des matériaux, évitant ainsi d'endommager le séparateur interne de la batterie (qui fond à environ 130 °C) ou l'électrolyte (qui se décompose à haute température).
Étape 4 : Refroidissement et formation de liaisons
Dès la fin de l'impulsion de courant, les électrodes restent appuyées contre la pièce pendant quelques millisecondes, permettant au métal en fusion de refroidir et de se solidifier en une liaison cristalline solide (appelée "nugget"). Les électrodes évacuent également l'excès de chaleur, accélérant ainsi le refroidissement. Le résultat est une soudure :
Robuste : peut supporter jusqu'à 50 Newtons de force de traction (suffisant pour maintenir la batterie ensemble lors d'une utilisation intensive).
Faible résistance : conduit l'électricité avec une perte d'énergie minimale (généralement < 5 milliohms).
Non invasif : n'endommage pas les composants environnants de la batterie.
Étape 5 : Contrôle qualité
Les soudeuses par points pour batteries cylindriques modernes intègrent des capteurs avancés, notamment des moniteurs de tension, des caméras thermiques et des scanners à ultrasons, pour vérifier la qualité des soudures. Par exemple, un capteur de tension mesure la résistance électrique de la soudure : une résistance trop élevée indique une liaison faible. Une caméra thermique garantit que la chaleur ne s'est pas propagée au séparateur. Toute soudure défectueuse déclenche une alerte automatique et la batterie est retirée de la chaîne de production.
Innovation dans le soudage par points de batteries cylindriques : répondre aux nouvelles exigences de l'industrie
À mesure que la technologie des batteries évolue – avec des cellules plus grandes (par exemple, format 4680), des tensions plus élevées et des matériaux plus sensibles – les soudeuses par points s'adaptent également. Voici trois innovations clés qui façonnent le marché :
1. Soudeurs laser par points pour des liaisons ultra-précises
Les soudeuses par points à résistance traditionnelles conviennent à la plupart des cellules cylindriques, mais les nouvelles soudeuses par points laser gagnent en popularité pour les applications haut de gamme. Elles utilisent un faisceau laser focalisé (au lieu d'un courant électrique) pour chauffer la zone de soudure, permettant un contrôle encore plus précis de la chaleur et de la taille de la soudure.
Les soudeuses par points laser sont parfaites pour les cellules cylindriques de nouvelle génération avec des collecteurs de courant plus fins (jusqu'à 5 μm), explique le Dr Marquez. Elles créent des soudures plus petites et plus propres qui n'endommagent pas les feuilles de métal délicates, essentielles pour les batteries des dispositifs médicaux ou de l'aérospatiale, où la fiabilité n'est pas négociable. Des entreprises comme IPG Photonics proposent désormais des soudeuses par points laser adaptées aux batteries cylindriques, avec une adoption qui augmente de 25 % par an.
2. Systèmes automatisés alimentés par l'IA
Pour suivre la production de véhicules électriques, les constructeurs se tournent vers des robots de soudage par points pilotés par l'IA. Ces systèmes utilisent l'apprentissage automatique pour optimiser les paramètres de soudage (courant, pression, durée d'impulsion) en temps réel, en s'adaptant aux variations des composants de la batterie (par exemple, de légères différences d'épaisseur du collecteur).
Par exemple, le nouveau système "Smart Weld" du géant chinois des batteries CATL utilise l'IA pour ajuster les paramètres de chaque cellule 21700, réduisant ainsi les défauts de soudure de 40 % et augmentant la vitesse de production de 20 %. "L'IA transforme un processus « taille unique » en un processus personnalisé," explique un ingénieur de CATL. "C'est ainsi que nous répondrons à la demande de 500 GWh de batteries d'ici 2026."
3. Technologies de soudage respectueuses de l'environnement
Le développement durable est également un moteur d'innovation. Les soudeuses par points traditionnelles consomment beaucoup d'énergie (jusqu'à 10 kWh par heure), mais les nouveaux modèles à récupération d'énergie récupèrent et réutilisent l'énergie électrique excédentaire, réduisant ainsi la consommation de 30 %. De plus, les électrodes refroidies par eau (au lieu de l'air) réduisent le gaspillage de chaleur, tandis que les alliages de cuivre sans plomb facilitent le recyclage des machines.
Le nouveau règlement sur les batteries de l'Union européenne, qui impose une fabrication respectueuse de l'environnement d'ici 2027, accélère l'adoption de ces soudeuses par points vertes. "Les fabricants ne peuvent pas se permettre d'ignorer la durabilité, que ce soit pour des raisons de conformité ou de réputation de marque, note Chen.
L'avenir des soudeuses par points à batterie cylindrique
Avec la transition mondiale vers l'électrification, le rôle des soudeuses par points pour batteries cylindriques ne fera que croître. Les experts prévoient que d'ici 2030, le marché mondial des soudeuses par points pour batteries cylindriques atteindra 8,7 milliards de dollars, porté par la demande de véhicules électriques et de stockage d'énergie. Soudage des batteries solides : Les batteries cylindriques solides de nouvelle génération nécessiteront des soudeuses par points compatibles avec de nouveaux matériaux (par exemple, les anodes en lithium métal), ce qui nécessitera une chaleur encore plus faible et une précision accrue.
« En fin de compte, toute batterie fiable commence par une bonne soudure », explique le Dr Marquez. « Les soudeuses par points cylindriques pour batteries ne sont peut-être pas aussi prestigieuses que les nouvelles chimies de batteries, mais elles sont essentielles à la transition énergétique. Sans elles, nous ne pourrions pas construire les batteries qui alimenteront nos voitures, nos maisons et notre avenir. »
