L’appareil à rayons X de Fraunhofer rend visible l’intérieur des cellules / PowerCo en tant qu’utilisateur

Le Fraunhofer EMI a développé une technologie de rayons X spéciale qui permet de visualiser en temps réel les processus dynamiques au sein des grandes cellules batterie prismatiques. En collaboration avec PowerCo, filiale de Volkswagen spécialisée dans les batteries, cette technologie doit désormais être mise en œuvre à l’échelle industrielle.

L’institut Fraunhofer pour la dynamique à court terme, Ernst-Mach-Institut, qualifie cette technologie d’imagerie par rayons X innovante de « dispositif à rayons X à haute vitesse unique au monde ». Elle permet de visualiser ce qui se passe en quelques fractions de seconde à l’intérieur des grandes cellules de batterie sous charge – et accélère le développement de générations de cellules plus sûres pour l’industrie automobile européenne, indiquent les scientifiques dans un communiqué accompagnant.

Cette approche vise à répondre à la question de ce qui se passe à l’intérieur d’une cellule de batterie lorsqu’elle cesse de fonctionner. Jusqu’à présent, les fabricants de cellules et les intégrateurs de véhicules devaient recourir à des simulations, à des essais destructifs ou à des mesures indirectes. La méthode développée par Fraunhofer EMI permet, en revanche, d’observer directement la cellule en fonctionnement. Selon ses concepteurs, cet équipement combine une technologie d’imagerie par rayons X haute performance avec une chambre de test pour batteries spécialement conçue, ainsi que des capteurs avancés permettant de mesurer simultanément la température, la pression, la tension et le flux de gaz. « Grâce à jusqu’à 1 000 images par seconde, des phénomènes tels que la formation de gaz, les déplacements de matériaux et l’apparition de fissures à l’intérieur de la cellule sont capturés avec une résolution extrême – des processus qui, jusqu’à présent, se déroulaient entièrement dans l’obscurité », indique l’institut.

Dr. Sebastian Schopferer, responsable de la sécurité des batteries au Fraunhofer EMI, souligne : « Grâce à notre méthode in situ, nous pouvons suivre en temps réel, avec une résolution maximale, ce qui se passe au sein d’une batterie en quelques fractions de seconde. Cela change notre compréhension fondamentale de la conception et de la sécurité des batteries. » Une réalisation technique clé a été le développement d’une chambre de protection capable de protéger de manière fiable les composants radiologiques sensibles des conditions extrêmes liées à la défaillance thermique des cellules lithium-ion.

L’importance de cette approche se reflète dans l’intérêt soutenu de la part de l’industrie : Fraunhofer EMI indique avoir déjà analysé pour plusieurs constructeurs automobiles allemands (« notamment VW et Audi ») les propriétés des matériaux lors des essais thermiques ainsi que leur comportement de propagation dans des structures multicellulaires. « Les données obtenues permettent d’évaluer les conceptions de cellules en se basant sur des processus réellement observés et d’améliorer de manière ciblée les modèles de simulation existants – ce qui représente une valeur ajoutée directe pour le développement des produits et les procédures d’homologation », précise-t-on.

Les liens avec PowerCo, filiale de VW spécialisée dans les batteries, sont particulièrement étroits. Dans une prochaine étape, Fraunhofer EMI et PowerCo souhaitent mettre cette technologie en œuvre conjointement dans le secteur industriel. L’institut apporte à cette fin son expertise en recherche sur les matériaux, en essais de durabilité des batteries et en imagerie à haute vitesse. PowerCo, quant à elle, contribue avec les exigences liées à la production en série ainsi qu’accès à des types de cellules réels.

D’après les partenaires, les premiers résultats de cette collaboration sont déjà intégrés aujourd’hui au développement de cellules de série améliorées par PowerCo. Cependant, cela implique encore certains aspects logistiques. Mais cette situation devrait bientôt prendre fin : une installation de radiographie correspondante doit être mise en place en 2028 sur le site de PowerCo à Salzgitter. Le système est adaptable à différents formats de cellules ainsi qu’à de nouvelles compositions chimiques – « un avantage décisif pour le développement des prochaines générations de batteries », selon l’institut Fraunhofer.

HW Vassen, CTO chez PowerCo, commente : « Grâce aux rayons X à haute vitesse in situ, nous portons la recherche sur les batteries à un nouveau niveau : pour la première fois, nous pouvons visualiser en temps réel et au ralenti les processus dynamiques à l’intérieur des cellules. Cette profondeur de vision sans précédent nous permet d’optimiser de manière ciblée la sécurité et la conception des cellules batterie, ainsi que de mettre en œuvre les innovations bien plus rapidement dans le domaine industriel. En collaboration avec le Fraunhofer EMI, nous contribuons ainsi au développement de hautes technologies « fabriquées en Europe » et renforçons le rôle de l’Europe dans l’industrie des batteries. »

Comme on le sait, PowerCo a été fondée en 2022 par le groupe Volkswagen et est chargée du développement et de la production des cellules de batterie du groupe. L’entreprise est basée à Salzgitter et construit actuellement trois usines de cellules ayant une capacité totale allant jusqu’à 200 gigawattheures par an : à Salzgitter (Allemagne), Valence (Espagne) et Saint-Thomas (Canada).