La fabrication de batteries lithium‑ion est l’un des secteurs de production les plus exigeants et à la croissance la plus rapide au monde.
La fabrication des cellules implique une série d’étapes de procédé très sensibles, enduction des électrodes, calandrage, découpe, bobinage ou empilage, remplissage d’électrolyte, cycles de formation et vieillissement, où le contrôle des paramètres de procédé détermine à la fois les performances électrochimiques et les caractéristiques de sécurité de la cellule finie.
À des volumes de production de gigafactory (GWh par an), même de petites améliorations de l’OEE se traduisent par des milliards de cellules et des milliards de dollars de valeur de production.
L’enduction des électrodes est la première et la plus critique des étapes de production dans la fabrication des cellules de batterie.
Le procédé d’enduction, application d’une pâte d’électrode (matériau actif, liant, additif conducteur en solvant) sur une feuille de cuivre ou d’aluminium à grande vitesse dans un environnement de séchage contrôlé, détermine la densité énergétique, la régularité de la capacité et la durée de vie en cycles de la cellule finie.
La surveillance de l’OEE de la ligne d’enduction suit la vitesse du support d’enduction (Performance), les arrêts planifiés versus non planifiés de l’enducteur (Disponibilité), et les résultats de qualité de l’enduction incluant l’uniformité d’épaisseur, la précision de chargement et les taux de défauts issus de l’inspection optique (Qualité).
L’OEE de la ligne d’enduction est fréquemment la contrainte principale de la capacité de production de cellules, en faisant la cible prioritaire de surveillance et d’amélioration de l’OEE.
La formation et le vieillissement sont les étapes de production les plus chronophages, les cellules doivent être chargées et déchargées selon des cycles définis pour activer la chimie des électrodes et caractériser les performances de chaque cellule, ce qui prend généralement 5 à 15 jours calendaires.
L’utilisation des chambres de formation, la proportion de la capacité de formation disponible effectuant des cycles de formation productifs, détermine le débit de production au‑delà des étapes d’enduction et d’assemblage.
La surveillance de l’OEE des opérations de formation enregistre la disponibilité des chambres, le respect des protocoles de cycle et les taux de défaillance des cellules pendant la formation qui indiquent des problèmes de qualité des électrodes ou de l’assemblage en amont.
Le rendement de fabrication des cellules, la proportion de cellules répondant aux spécifications de performance, est le principal indicateur qualité dans la fabrication des batteries et celui le plus directement lié à l'économie de production.
Des pertes de rendement surviennent à plusieurs étapes: défauts des électrodes (microtrous, stries de revêtement, dommages aux bords) lors du découpage (slitting) défauts d'assemblage (échecs d'enroulement/empilement des cellules, défauts de soudure des languettes, imprécisions de remplissage d'électrolyte) lors de l'assemblage des cellules
échecs de formation (cellules ne respectant pas les spécifications de capacité ou d'impédance après les cycles de formation) et défaillances lors du vieillissement (cellules présentant une auto-décharge excessive ou une dégradation de tension pendant le vieillissement).
Le suivi OEE de tous ces points de perte de rendement, en attribuant chaque type de défaut à l'étape de production et à l'équipement spécifiques où il est apparu, permet des améliorations ciblées du rendement qui traitent les causes profondes plutôt que les symptômes en aval.
La précision du remplissage en électrolyte est un paramètre critique de contrôle de procédé ayant des implications à la fois pour la sécurité et les performances.
Un apport d'électrolyte insuffisant produit des cellules à capacité réduite et à faible durée de vie en cycles; un excès d'électrolyte expose au risque de fuites d'électrolyte et à des problèmes de sécurité potentiels.
La surveillance de la Performance OEE des postes de remplissage suit la précision du remplissage et la constance des temps de cycle de remplissage, en capturant les événements de déviation qui indiquent l'usure des équipements de remplissage ou une dérive d'étalonnage avant que des problèmes systématiques de précision de remplissage n'affectent la qualité des cellules sur l'ensemble d'une campagne de production.
L'OEE de l'assemblage des modules et des packs est la dernière étape de production où les cellules deviennent des modules et des packs de batteries pour des applications automobiles ou de stockage d'énergie stationnaire.
La précision du tri des cellules (s'assurer que les cellules au sein d'un module sont appariées dans les tolérances définies de capacité et d'impédance), la qualité des soudures des busbars (intégrité des soudures laser ou ultrasoniques) et l'assemblage de la gestion thermique contribuent tous à la qualité des modules et des packs.
La surveillance OEE de l'assemblage des packs suit le débit par rapport au takt time, les taux de réussite des tests électriques en fin de ligne et les résultats de qualité des soudures, fournissant le tableau de l'efficacité et de la qualité d'assemblage dont les fabricants de packs de batteries ont besoin pour satisfaire aux exigences de qualité et de livraison des clients automobiles.
Les fabricants de batteries opérant à grande échelle exigent des logiciels OEE dotés d'une infrastructure de données industrielle capable de gérer des données de production à haute fréquence et fort volume provenant de dizaines d'étapes de processus interconnectées.
Les lignes de revêtement des électrodes, les équipements de calandrage et les systèmes de chambres de formation génèrent des données de processus continues avec des taux d'échantillonnage de l'ordre de la seconde, nécessitant des plateformes OEE avec une architecture d'informatique en périphérie (edge computing) ou une
capacité de pipeline de données à haut débit préservant l'intégrité des données sans dégradation des performances à mesure que les volumes de production augmentent.
L'intégration des historiens de processus est particulièrement importante pour les logiciels OEE destinés aux batteries. Les lignes de revêtement et les systèmes de formation sont généralement connectés à des historiens de processus (OSIsoft PI ou équivalent) qui stockent les données détaillées des paramètres de procédé nécessaires à l'analyse de la qualité des cellules.
Les plateformes OEE qui s'intègrent à ces historiens pour corréler les données d'efficacité de production (taux d'OEE, événements d'arrêt) avec les données de paramètres de procédé (profils d'épaisseur de revêtement, historiques de température de formation
masses de remplissage d'électrolyte) permettent les analyses de procédé avancées dont les fabricants de batteries ont besoin pour améliorer le rendement à partir de données de production à l'échelle du gigawatt-heure.
Les fabricants de batteries fournissant la clientèle automobile opèrent sous les exigences de gestion de la qualité IATF 16949 et des processus d'approbation de production spécifiques aux clients (PPAP) qui exigent des preuves documentées du contrôle du processus de production.
Un logiciel OEE qui conserve des enregistrements de production horodatés et traçables pour chaque lot de production, mettant en relation les résultats de formation et de vieillissement avec le lot de revêtement spécifique et les conditions du processus d'assemblage, fournit le registre de traçabilité de fabrication que les accords d'approvisionnement en batteries pour l'automobile exigent de plus en plus.
À mesure que les gigafactories de batteries se développent, les fabricants disposant de la meilleure infrastructure de données de production seront en mesure de démontrer leur excellence manufacturière auprès des constructeurs automobiles (OEM) d'une manière que les concurrents dépourvus d'une surveillance OEE structurée ne pourront égaler.
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