Le système d’ondes X de Fraunhofer révèle le fonctionnement interne des cellules de batterie.

Fraunhofer EMI a développé une technologie d’ondes X spéciale qui permet de visualiser en temps réel les processus dynamiques au sein des cellules prismatiques de grand format. En collaboration avec PowerCo, filiale spécialisée dans les batteries de Volkswagen, cette technologie est désormais prête à être mise en œuvre dans l’industrie.

L’Institut Fraunhofer pour la dynamique à haute vitesse, Ernst-Mach-Institut, qualifie sa technologie d’ondes X innovante de « système d’ondes X à haute vitesse unique au monde ». Selon les scientifiques de cet institut, elle permet de découvrir ce qui se passe à l’intérieur des cellules batterie de grand format en quelques fractions de seconde sous contrainte – et pourrait contribuer à accélérer le développement de générations de cellules plus sûres pour l’industrie automobile européenne.

Cette approche vise à répondre à la question de ce qui se passe à l’intérieur d’une cellule de batterie lorsqu’elle tombe en panne. Jusqu’à présent, les fabricants de cellules et les intégrateurs de véhicules se fiaient à des simulations, à des méthodes d’essais destructifs ou à des mesures indirectes. Cependant, la méthode développée par Fraunhofer EMI permet désormais d’observer directement le fonctionnement de la cellule. Selon l’équipe, ce système combine une technologie d’ondes X de haute performance avec une chambre d’essai pour batteries spécialement conçue, ainsi qu’une technologie de capteurs complète permettant l’enregistrement simultané de la température, de la pression, de la tension et du flux gazeux : « En enregistrant jusqu’à 1 000 images par seconde, il révèle des processus tels que la formation de gaz, le déplacement des matériaux et la propagation des fissures à l’intérieur de la cellule avec une résolution extrêmement élevée — des phénomènes qui restaient jusqu’à présent invisibles. »

Dr Sebastian Schopferer, responsable de la sécurité des batteries chez Fraunhofer EMI, souligne : « Notre méthode in situ nous permet de voir ce qui se passe à l’intérieur d’une cellule en quelques fractions de seconde – en temps réel et avec la plus haute résolution. Cela change fondamentalement notre façon de comprendre la conception et la sécurité des batteries. » Une réalisation technique majeure a été le développement d’une chambre de protection qui protège efficacement les composants sensibles aux rayons X des conditions extrêmes lors d’une défaillance thermique des cellules lithium-ion.

La pertinence de cette approche est encore illustrée par un vif intérêt de la part du secteur : Fraunhofer EMI a indiqué qu’elle avait déjà étudié le rejet de matériaux lors d’une défaillance thermique ainsi que le comportement de propagation dans des systèmes multicellulaires pour plusieurs constructeurs automobiles allemands, dont VW et Audi. Selon un communiqué : « Les données obtenues permettent aux ingénieurs d’évaluer les conceptions des cellules en se basant sur des processus directement observés et d’affiner les modèles de simulation avec une plus grande précision — ce qui apporte une valeur ajoutée directe aux processus de développement et de certification des produits. »

Le projet est étroitement lié à PowerCo, la filiale spécialisée dans les batteries de Volkswagen. Au cours de sa prochaine étape, Fraunhofer EMI et PowerCo visent à mettre cette technologie en œuvre conjointement dans des applications industrielles. L’institut apporte son expertise en matière de recherche sur les matériaux, de tests d’endurance des batteries et d’imagerie à haute vitesse, tandis que PowerCo fournit les exigences liées à la production en série ainsi qu’un accès à des types de cellules réels.

Les premiers résultats de cette collaboration sont déjà intégrés au développement de cellules en série optimisées chez PowerCo. Bien que cela nécessite encore des efforts logistiques, une fin est en vue : d’ici 2028, un système à rayons X correspondant devrait être installé sur le site de PowerCo à Salzgitter. Ce système est adaptable à divers formats de cellules et à de nouvelles chimies de cellules – « un avantage important pour le développement des générations futures de batteries », selon l’institut Fraunhofer.

HW Vassen, CTO chez PowerCo, a commenté : « Grâce à l’imagerie par rayons X 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 d’analyse sans précédent nous permet d’optimiser de manière ciblée la sécurité et la conception des cellules batterie, ainsi d’introduire plus rapidement des innovations dans l’industrie. Avec Fraunhofer EMI, nous faisons progresser les hautes technologies fabriquées en Europe et renforçons le rôle de l’Europe dans l’industrie des batteries. »

PowerCo a été fondée par le groupe Volkswagen en 2022 et est chargée du développement et de la production des cellules de batterie du groupe. La société a son siège à Salzgitter et construit actuellement trois usines de cellules d’une capacité totale allant jusqu’à 200 gigawattheures par an : à Salzgitter (Allemagne), Valence (Espagne) et St. Thomas (Canada).