Comment le collage industriel allège les batteries électriques

Les batteries de véhicules électriques doivent stocker plus d'énergie, charger plus vite et rester sûres, sans gagner en poids ni en complexité.

Cet équilibre ne dépend pas uniquement de leur composition chimique. Il oblige aussi les ingénieurs à repenser la façon dont les cellules, les modules et les packs de batteries sont conçus, assemblés et protégés.

Les colles techniques, les composés d'enrobage (potting) et les matériaux thermoconducteurs deviennent essentiels à cette démarche. Ils permettent de fixer les cellules, d'assembler des matériaux différents, de participer à la gestion thermique et de protéger les composants contre l'humidité et les autres facteurs environnementaux.

Au laboratoire d'adhésifs Akkodis de Sindelfingen, en Allemagne, des spécialistes des matériaux aident les clients à identifier, tester et intégrer des solutions de collage pour les batteries de véhicules électriques et d'autres applications industrielles exigeantes.

Pourquoi la conception des batteries EV est avant tout un défi de matériaux

La technologie des batteries de véhicules électriques a considérablement progressé au cours des vingt dernières années. Les batteries actuelles stockent bien plus d'énergie par rapport à leur masse que les systèmes précédents, ce qui permet aux constructeurs d'améliorer l'autonomie et les performances des véhicules.

Néanmoins, une densité énergétique plus élevée et des charges plus rapides posent de nouveaux défis d'ingénierie. Les packs de batteries doivent gérer efficacement la chaleur, offrir une stabilité structurelle et protéger leurs composants internes tout au long de la vie du véhicule.

Les nouvelles architectures de batteries changent également la façon dont les cellules sont intégrées. Les concepts « cell-to-pack » permettent de réduire le nombre de boîtiers, de câbles et d'éléments structurels distincts, ouvrant la voie à des gains de poids et à une meilleure utilisation de l'espace disponible.

C'est précisément là que les adhésifs deviennent stratégiques.

Loin de se contenter d'assembler deux surfaces, les matériaux de collage spécialisés remplissent aujourd'hui plusieurs fonctions à la fois :

• Réduire le poids structurel
• Sécuriser les cellules de batterie
• Évacuer la chaleur excédentaire
• Assurer l'isolation électrique
• Protéger contre l'humidité
• Faciliter l'intégration des matériaux

Les adhésifs thermoconducteurs peuvent assembler les composants de la batterie tout en transférant la chaleur entre les cellules et les systèmes de refroidissement. Ils réduisent également le besoin de pièces structurelles supplémentaires, contribuant à des batteries plus légères et plus intégrées.

Comment les adhésifs allègent les packs de batteries

Les fixations mécaniques classiques peuvent ajouter du poids, nécessiter de l'espace supplémentaire et concentrer les contraintes sur des points d'assemblage précis.

Le collage, lui, répartit les charges sur une surface bien plus large. Il permet également aux ingénieurs d'assembler des matériaux différents : aluminium, acier, plastiques, surfaces peintes ou composites renforcés de fibres.

Cette polyvalence est particulièrement précieuse dans les batteries de véhicules électriques, où de nombreux composants aux propriétés mécaniques, électriques et thermiques différentes doivent cohabiter dans un pack compact.

Selon l'application, les ingénieurs peuvent sélectionner des matériaux :

• Élastiques ou rigides
• Conducteurs ou isolants électriques
• Thermoconducteurs
• Résistants aux agents chimiques
• Résistants à la chaleur et à l'humidité
• Adaptés à une production automatisée

La bonne solution peut ainsi contribuer, en même temps, à l'intégrité structurelle, à l'étanchéité, à la performance thermique et à l'efficacité de production.

Akkodis accompagne ses clients sur l'ensemble du secteur Automobile et Transport, y compris la mobilité électrique, les systèmes de batteries, la gestion de l'énergie, le développement produit et la fabrication intelligente.

Garder les cellules de batterie fixées, étanches et fraîches

Oxana Schulz, responsable du laboratoire d'adhésifs Akkodis de Sindelfingen, utilise une analogie simple pour expliquer le rôle des composés d'enrobage.

Imaginez un récipient rempli de cellules individuelles, serrées les unes contre les autres. Un composé d'enrobage vient combler les espaces autour de ces cellules, aidant à les maintenir en place, à les protéger et à orienter la façon dont la chaleur circule dans le système.

Si une cellule venait à être endommagée, le matériau environnant peut aussi contribuer à contenir une éventuelle fuite et à en limiter l'impact sur les composants voisins.

« Quand j'ai commencé à travailler sur les batteries de véhicules électriques, elles pesaient environ 800 kg, un poids considérable comparé aux 100 kg d'un moteur thermique classique. », raconte Oxana Schulz. « Aujourd'hui, elles sont devenues bien plus puissantes et se rechargent bien plus vite. Une grande partie de cette optimisation repose sur les matériaux dans lesquels nous sommes spécialisés : colles, adhésifs et composés d'enrobage. »

La performance thermique est un enjeu particulièrement important. Les batteries génèrent de la chaleur pendant la charge et l'utilisation, et cette chaleur doit être évacuée efficacement loin des cellules.

Les matériaux thermoconducteurs permettent de créer un chemin thermique maîtrisé entre les cellules et les unités de refroidissement, tout en assurant un maintien structurel et, si nécessaire, une isolation électrique. Une gestion thermique efficace contribue directement à la performance, à la durabilité et à la sécurité de la batterie.

Dépasser l'assemblage purement mécanique

À mesure que les systèmes de batteries se densifient, les méthodes d'assemblage purement mécaniques ne suffisent plus toujours à apporter la performance, la flexibilité ou les gains de poids recherchés par les ingénieurs.

Le collage permet d'assembler des matériaux difficiles, voire impossibles à souder ou à braser. Il évite aussi la chaleur localisée et les contraintes mécaniques associées à certains procédés d'assemblage traditionnels.

Ces atouts offrent aux ingénieurs une bien plus grande liberté dans la conception de structures légères et multi-matériaux.

Ces mêmes principes s'appliquent bien au-delà des batteries de véhicules électriques. Les adhésifs sont déjà largement utilisés pour coller les vitrages automobiles et renforcer la structure des carrosseries. Ils trouvent également des applications dans l'aéronautique, les technologies médicales, l'ingénierie électrique, les capteurs, l'ingénierie des procédés industriels ou encore l'ameublement.

Dans tous ces secteurs, les solutions de collage permettent de :

• Réduire le poids des composants
• Limiter les risques de corrosion
• Diminuer bruit et vibrations
• Assembler des matériaux différents
• Créer des structures étanches
• Simplifier des assemblages complexes

Akkodis réunit une expertise transverse aux secteurs et aux disciplines d'ingénierie, en accompagnant les organisations depuis la définition des spécifications et la conception, jusqu'aux essais de pré-production et à l'optimisation de la production, en passant par le prototypage.

Choisir le bon adhésif pour chaque application

Il n'existe pas d'adhésif universel, valable pour tous les composants de batterie, tous les substrats et tous les environnements d'utilisation.

Choisir le bon matériau exige une compréhension fine de l'application dans son ensemble, notamment :

• Les surfaces à assembler
• Les exigences thermiques et électriques
• L'exposition aux agents chimiques
• Les contraintes mécaniques et les vibrations
• La température et l'humidité
• Les temps de cycle de production
• Les besoins de réparation et de démontage
• Les exigences de tests et de validation

La préparation des surfaces est tout aussi déterminante. Plastiques, acier et aluminium des boîtiers de batterie peuvent chacun nécessiter des prétraitements différents pour garantir un collage fiable et durable dans le temps.

L'adhésif doit ensuite s'intégrer au processus de fabrication du client. Les ingénieurs doivent prendre en compte la dépose du produit, la polymérisation, la manipulation des composants, le contrôle qualité et la cadence de production, pas seulement la performance du matériau en laboratoire.

C'est cette approche à l'échelle du système qui distingue une solution réellement prête pour la production d'un matériau simplement prometteur.

Des essais en laboratoire à l'intégration en production

Le laboratoire d'adhésifs Akkodis a été créé en 2014, en réponse à une demande croissante pour des solutions d'ingénierie basées sur le collage. Aujourd'hui, ses spécialistes répondent aux défis de collage des constructeurs automobiles, mais aussi de clients issus des capteurs, de l'ingénierie des procédés et d'autres secteurs industriels.

Le travail du laboratoire couvre l'ensemble du processus d'ingénierie du collage :

• Sélection des matériaux: les experts évaluent les adhésifs, composés d'enrobage et matériaux d'interface thermique potentiels, au regard des exigences techniques de l'application.
• Prétraitement des surfaces: l'équipe définit comment les substrats doivent être nettoyés, activés ou préparés d'une autre manière, afin d'assurer une adhérence constante.
• Développement du procédé: les spécialistes déterminent comment le matériau peut être déposé, appliqué et polymérisé dans l'environnement de production du client.
• Tests et validation: des méthodes d'essai sur mesure sont développées pour démontrer que le collage final répond aux critères de performance mécanique, thermique, chimique et environnementale requis.
• Intégration en production: le procédé retenu est aligné avec les contraintes de production, les exigences qualité et le flux d'assemblage global de la batterie.

Cette combinaison d'expertise matériaux, de savoir-faire en tests et d'ingénierie de production aide les clients à réduire l'incertitude technique et à passer du concept à la mise en œuvre concrète.

Pour en savoir plus sur nos capacités plus larges en matière d'innovation automobile, de systèmes EV et de fabrication intelligente.

Le collage, un pilier de l'usine de demain

Le collage industriel ouvre aux ingénieurs de nouvelles possibilités pour combiner les matériaux, réduire le poids et intégrer plusieurs fonctions au sein d'une seule et même solution.

Dans les batteries de véhicules électriques, adhésifs et composés d'enrobage contribuent à la fois à la stabilité structurelle, à l'étanchéité, à la gestion thermique et à l'isolation électrique. Leur polyvalence les rend également de plus en plus pertinents pour d'autres secteurs en quête de produits plus légers, plus efficaces et plus intégrés.

Tirer pleinement parti de ces bénéfices exige bien plus que de choisir un produit sur catalogue. Cela requiert une expertise pointue des matériaux, des surfaces, des procédés et de la validation.

En associant une expertise d'ingénierie approfondie à des capacités de laboratoire concrètes, Akkodis aide ses clients à transformer des exigences de collage complexes en solutions de production robustes et industrialisables.