Assemblage de batteries pour la mobilité électrique : adhésifs et composés d'encapsulation pour packs de batteries
L'assemblage des batteries lithium-ion pour véhicules électriques impose des exigences très élevées aux technologies d'assemblage. Les adhésifs, les composés d'encapsulation et les joints assurent bien plus qu'une simple fixation mécanique : ils garantissent la gestion thermique, la sécurité en cas de collision, l'isolation électrique et la protection contre l'humidité. Cet article technique montre quels matériaux sont utilisés à quel endroit et ce à quoi les ingénieurs en batteries doivent prêter attention lors de leur sélection.
1. Défis liés à l'assemblage des batteries
Les batteries modernes pour véhicules électriques combinent des centaines de cellules individuelles pour former des unités compactes et résistantes aux chocs. Elles doivent répondre à de nombreuses exigences simultanément :
- Gestion thermique : les cellules lithium-ion génèrent de la chaleur pendant la charge et la décharge. Sans dissipation thermique efficace, il existe un risque d'emballement thermique. Les produits de remplissage et les pâtes thermiques doivent minimiser les résistances de contact et dissiper la chaleur de manière fiable vers les plaques de refroidissement.
- Résistance aux vibrations et aux chocs : les blocs-batteries sont exposés à des vibrations continues et, en cas de collision, à des forces extrêmes. Les adhésifs structuraux doivent offrir une résistance élevée au cisaillement et une bonne absorption d'énergie sans se fragiliser.
- Optimisation du poids : chaque kilogramme compte. Les assemblages collés remplacent les fixations mécaniques lourdes et permettent des concepts de construction légère avec de l'aluminium et des composites.
- Protection IP : l'humidité qui s'infiltre peut entraîner de la corrosion, des courants de fuite et des dommages cellulaires. Les systèmes d'étanchéité doivent garantir un indice IP67 ou IP68, même après plusieurs années et sur de larges plages de température.
- Isolation électrique : les composants haute tension (jusqu'à 800 V) nécessitent des composés d'encapsulation résistants à la rupture avec une rigidité diélectrique élevée et des lignes de fuite définies.
La production européenne de batteries connaît une croissance fulgurante : les gigafactories en Allemagne, en Hongrie et en France misent sur des processus de fabrication automatisés. Les systèmes adhésifs doivent donc non seulement être convaincants sur le plan technique, mais aussi être dosables de manière reproductible et durcir rapidement.
2. Adhésifs dans le bloc-batterie : où sont-ils utilisés ?
Un bloc-batterie type se compose de plusieurs niveaux hiérarchiques. Des systèmes adhésifs spécifiques sont utilisés à chaque étape :
Collage cellule à cellule (Cell-to-Cell)
Les cellules cylindriques (18650, 21700, 4680) ou les cellules souples sont regroupées en modules. On utilise ici des adhésifs élastiques qui tolèrent la dilatation thermique tout en dissipant la chaleur. Les silicones à deux composants avec une conductivité thermique de 1 à 3 W/m·K sont la norme. Pour les cellules prismatiques, on utilise souvent des rubans adhésifs en mousse acrylate qui compensent les tolérances.
Cellule-module et module-boîtier
Des adhésifs structuraux sont nécessaires pour fixer les modules cellulaires dans le boîtier de la batterie. Les systèmes à base d'époxy, tels que la série Permabond ET500, offrent une résistance au cisaillement supérieure à 20 MPa et durcissent même à température ambiante. Il est également possible d'utiliser des polyuréthanes à durcissement rapide, qui atteignent leur résistance maximale après seulement 24 heures.
Fixation BMS
Le système de gestion de batterie (BMS) avec cartes électroniques, capteurs et appareils de commande doit être monté de manière à résister aux vibrations. Les silicones thixotropes, qui ne coulent pas après le dosage et offrent une isolation électrique, sont ici tout indiqués. Important : pas d'émissions corrosives susceptibles d'endommager les composants électroniques.
Collage des plaques de refroidissement
Entre les modules cellulaires et les plaques de refroidissement en aluminium, les produits de remplissage doivent minimiser les résistances thermiques de contact. Ces silicones hautement chargés (avec de l'oxyde d'aluminium ou du nitrure de bore) atteignent des conductivités thermiques allant jusqu'à 5 W/m·K et compensent les irrégularités de 0,5 à 3 mm. Les produits tels que Bluesil TCS 4525 durcissent à température ambiante pour former des couches élastiques et non adhésives.
3. Adhésifs structuraux pour la sécurité en cas de collision
En cas de collision, les blocs-batteries doivent conserver leur intégrité structurelle et empêcher tout endommagement des cellules. Les adhésifs structuraux transfèrent les forces sur de grandes surfaces et absorbent l'énergie grâce à une déformation plastique contrôlée.
Adhésifs structuraux époxy
Les époxydes à deux composants sont le premier choix pour les collages soumis à des contraintes élevées. Ils offrent :
- Résistance au cisaillement de 20 à 35 MPa (selon DIN EN 1465)
- Résistance à la température jusqu'à 150 °C (brièvement jusqu'à 180 °C)
- Excellente adhérence sur l'aluminium, l'acier et les composites
- Faible retrait pendant le durcissement
La série Permabond ET5145 allie haute résistance et flexibilité et est spécialement conçue pour les applications automobiles. Profils de durcissement types : 1 heure à 80 °C ou 7 jours à 23 °C.
Adhésifs structuraux à base de polyuréthane
Les adhésifs PU offrent un équilibre entre résistance et élasticité. Avec des duretés Shore comprises entre 60 A et 70 D, ils conviennent particulièrement aux combinaisons de matériaux présentant des coefficients de dilatation différents. L'allongement à la rupture supérieur à 100 % permet l'absorption d'énergie en cas de collision.
Exigences en cas de collision selon la norme UN ECE R100
La réglementation n° 100 des Nations Unies exige que les composants haute tension restent protégés en cas de collision frontale, latérale ou arrière. Les blocs-batteries doivent résister à des profils d'accélération définis sans fuite d'électrolyte ni court-circuit. Les assemblages collés font partie de la structure de collision et doivent être pris en compte dans les simulations FEM.
4. Matériaux d'interface thermique (TIM)
La dissipation thermique du bloc-batterie est déterminante pour sa durée de vie et sa sécurité. Les matériaux d'interface thermique comblent les espaces d'air entre la source de chaleur et le dissipateur thermique et réduisent la résistance thermique.
Gap-Filler
Les produits de remplissage sont des silicones pâteuses ou thixotropiques qui comblent les interstices de 0,5 à 5 mm. Après durcissement, ils restent élastiques et compensent la dilatation thermique. Conductivités thermiques typiques :
- Remplissage standard des interstices : 1,5 à 2,5 W/m·K
- Remplisseur de joints haute performance : 3 à 5 W/m·K
- Produits spéciaux à remplissage céramique : jusqu'à 7 W/m·K
La facilité de mise en œuvre est un critère important : les produits de remplissage doivent pouvoir être dosés (impression au pochoir, distribution) et ne doivent pas former de poches d'air. Les produits Bluesil TCS sont spécialement conçus pour les lignes d'assemblage automatisées de batteries.
Pâtes thermoconductrices
Pour les couches minces (moins de 0,3 mm), les pâtes thermoconductrices offrent une résistance thermique inférieure à celle des produits de remplissage. Elles restent pâteuses et nécessitent une pression mécanique. Application : entre les composants BMS et les boîtiers métalliques.
Coussinets thermoconducteurs
Les coussinets en silicone pré-assemblés (matériaux à changement de phase) fondent à la température de fonctionnement et s'adaptent à la surface. Avantage : finition propre, pas de dosage. Inconvénient : résistance thermique plus élevée que les produits de remplissage pour interstices à épaisseur égale.
5. Composés d'encapsulation pour BMS et électronique de puissance
Les appareils de commande électroniques, les connecteurs haute tension et les barres omnibus sont encapsulés afin de les protéger contre l'humidité, les vibrations et les contraintes mécaniques.
Composés d'encapsulation à base de silicone
Les silicones à deux composants constituent la technologie dominante pour l'encapsulation BMS. Avantages :
- Résistance à des températures comprises entre -60 °C et +200 °C
- Excellente isolation électrique (rigidité diélectrique supérieure à 20 kV/mm)
- Élasticité permanente (Shore A 20 à 60)
- Pas d'émissions gazeuses corrosives
- Réparabilité : le silicone peut être retiré mécaniquement.
La série Bluesil RTV 3400 offre différentes viscosités pour une application manuelle ou automatisée. Durée de vie en pot typique : 30 à 90 minutes. Durcissement à température ambiante en 24 à 48 heures, accéléré à 60 °C en 2 à 4 heures.
Composés de scellement en polyuréthane
Les composés d'encapsulation PU durcissent pour former des systèmes plus durs (Shore A 70 à Shore D 60) et offrent une résistance mécanique supérieure. Ils sont moins coûteux que les silicones, mais moins résistants à la température (généralement -40 °C à +120 °C). Application : encapsulation de capteurs et d'électronique basse tension.
Protection IP67/68
Les blocs-batteries doivent être certifiés au minimum IP67 (protection contre l'immersion temporaire). Les composés d'encapsulation doivent donc :
- Être coulé sans aucun vide (coulage sous vide recommandé)
- Adhérer durablement aux traversées de boîtiers
- Ne présente aucune absorption d'eau (moins de 0,5 % selon la norme DIN EN 60068)
- Rester étanche sur toute la plage de température
6. Comparaison des matériaux selon leur utilisation
| Utilisation | Matériau | propriété | Valeur typique |
|---|---|---|---|
| Collage cellule à cellule | Silicone thermoconducteur (2K) | conductivité thermique | 2,0 - 3,0 W/m·K |
| Collage structurel Boîtier modulaire | Adhésif structural époxy | résistance au cisaillement | 25 - 35 MPa |
| Gap-Filler (plaque de refroidissement cellulaire) | Silicone haute performance | Conductivité thermique / Dureté Shore | 3,5 - 5,0 W/m·K / Shore A 40 |
| Encapsulation BMS | Composé d'étanchéité à base de silicone | Résistance à la perforation / Temp. | > 20 kV/mm / -60 à +200 °C |
| Joint du boîtier | Silicone FIPG (1K) | Classe de protection IP / Durcissement | IP67/68 / 24 h à 23 °C |
| Connecteur haute tension | Scellement en polyuréthane | Dureté Shore / Résistance à la déchirure | Shore D 50 / 15 MPa |
7. Joints et garnitures pour boîtiers de batterie
Le boîtier de la batterie doit être étanche de manière permanente contre l'humidité, la poussière et les projections d'eau. Trois technologies dominent :
FIPG (joint formé sur place)
Les joints liquides sont appliqués à l'aide d'un robot sous forme de cordons et durcissent pour former des joints élastiques. Les silicones monocomposants (RTV-1) durcissent en 24 heures au contact de l'humidité de l'air. Avantages : pas de stocks de joints de différentes géométries, automatisation possible, qualité constante. Important : dosage précis (largeur des cordons de 3 à 5 mm) et jeu défini (0,5 à 1,5 mm).
Joints en butyle
Les cordons en butyle pré-confectionnés restent collants en permanence et assurent l'étanchéité grâce à une pression mécanique. Ils sont économiques et rapides à mettre en œuvre, mais offrent une résistance thermique inférieure à celle des silicones (généralement de -30 °C à +90 °C).
Systèmes d'étanchéité hybrides
Combinaison d'un joint mécanique (joint torique) et d'un joint liquide supplémentaire pour les exigences les plus élevées. Utilisation dans les boîtiers IP68 pour les blocs-batteries sous le plancher.
8. Normes et qualifications pour les matériaux des batteries
Les adhésifs et les composés d'encapsulation destinés aux blocs-batteries doivent subir des tests approfondis :
CEE-ONU R100
Réglementation des Nations Unies relative à la sécurité électrique des véhicules à haute tension. Exige des essais de résistance mécanique, d'isolation électrique et de comportement au feu. Les adhésifs font partie intégrante de la structure de collision et doivent être inclus dans la certification globale.
GB/T 31467 (Chine)
Norme chinoise pour les systèmes de batteries lithium-ion. Exige notamment des essais de choc thermique (-40 °C à +85 °C) et des essais de vibration selon la norme ISO 16750-3.
LV 123 (groupe Volkswagen)
Spécifications d'essai pour les composants électriques et électroniques. Définit les essais de cycles climatiques, les essais de corrosion et les essais de dégazage. Les adhésifs doivent être homologués selon LV 123 K01 (essai de cycles climatiques).
UL94 V-0 (ignifuge)
Exigence de matériaux auto-extinguibles. Les composés d'encapsulation et les adhésifs doivent être classés au moins V-1, idéalement V-0 selon UL94. Important : sans halogène pour réduire le dégagement de fumée.
REACH et RoHS
Réglementation européenne sur les produits chimiques et restriction des substances dangereuses. Tous les matériaux doivent être conformes aux normes REACH et RoHS. Attention particulière : les substances SVHC (Substances of Very High Concern) doivent être déclarées.
9. Conseils de traitement pour l'assemblage des batteries
automatisation du dosage
La fabrication moderne de batteries est entièrement automatisée. Les adhésifs et les composés d'encapsulation sont appliqués à l'aide de systèmes de dosage :
- Pompes à engrenages : pour les matériaux à faible viscosité (inférieure à 10 000 mPa·s)
- Pompes à vis excentrique : pour les gap fillers hautement chargés et les matériaux thixotropes
- Cartouches pneumatiques : pour une mise en œuvre manuelle et des prototypes
- Installations d'encapsulation sous vide : pour une encapsulation BMS sans cavités
Important : les matériaux doivent présenter une viscosité constante d'un lot à l'autre. Des tolérances de ±10 % sont acceptables, mais des variations plus importantes nécessitent un ajustement des paramètres de dosage.
Temps de durcissement et cadences
Un durcissement rapide est essentiel pour obtenir des débits élevés. Stratégies :
- Chambres chauffantes (60 à 80 °C) pour le durcissement accéléré des époxydes et des silicones
- Acrylates durcissant aux UV pour un moulage en quelques secondes (niche : fixation de capteurs)
- Époxydes rapides avec un temps de fixation de 15 minutes à température ambiante
Attention : un durcissement trop rapide peut entraîner des tensions. La validation du processus à l'aide de profils de température est essentielle.
préparation des surfaces
Les surfaces en aluminium doivent être dégraissées (isopropanol) et éventuellement prétraitées au plasma ou au corona. Les matériaux composites nécessitent souvent un apprêt pour une adhérence optimale. Vérifier minutieusement les surfaces peintes : la rupture d'adhérence peut se produire au niveau de la peinture et non de la colle.
Retouche et réparabilité
Les collages et les moulages en silicone peuvent être retirés mécaniquement (découpe, fraisage). Les collages époxy sont pratiquement impossibles à retirer et nécessitent un démontage destructif. Conception pour la remise en état : prévoir des joints de séparation, concevoir des modules interchangeables.
10. Foire aux questions (FAQ)
Les adhésifs et les composés d'encapsulation qualifiés sont conçus pour toute la durée de vie du véhicule (généralement 10 à 15 ans ou 3 000 à 5 000 cycles de charge). Le choix des matériaux et la qualité du processus sont déterminants. Même après 20 ans, les silicones ne présentent aucune fragilisation lors des tests d'accélération (Arrhenius). Les époxydes peuvent durcir et se fragiliser lorsqu'ils sont soumis à des températures élevées supérieures à 120 °C pendant une longue période. C'est pourquoi les profils de température sont essentiels dans le cahier des charges.
Cela dépend du système de collage. Les collages au silicone peuvent être séparés mécaniquement (découpe à l'aide d'un fil ou d'une lame). Les adhésifs structuraux à base d'époxy sont pratiquement indémontables – un démontage destructif est alors nécessaire. Dans les conceptions modernes Cell-to-Pack (CTP), les cellules sont directement intégrées dans le boîtier et ne sont pas destinées à être remplacées. Les constructions modulaires avec des raccords vissés et de la colle permettent une meilleure réparabilité, mais nécessitent plus d'espace.
La norme minimale requise est UL94 V-1 (test de combustion verticale, auto-extinguible en 30 secondes). Les applications haut de gamme exigent la norme UL94 V-0 (auto-extinguible en 10 secondes, sans gouttes enflammées). De plus, un indice LOI (Limiting Oxygen Index) supérieur à 28 % est de plus en plus souvent exigé. Les formulations sans halogène sont la norme afin d'éviter les gaz toxiques en cas d'incendie. Important : la protection contre les flammes ne doit pas altérer les propriétés thermiques et électriques.
Les cellules de batterie se dilatent lors du chargement et des changements de température (généralement de 0,5 à 2 mm pour les grands formats). Les adhésifs élastiques à faible module d'élasticité (inférieur à 10 MPa) compensent ces mouvements. Les produits de remplissage de joints avec une dureté Shore A comprise entre 20 et 40 sont idéaux. Dans le cas d'assemblages structuraux avec des époxydes rigides, le joint collé doit être dimensionné de manière à absorber les contraintes de cisaillement. Règle générale : plus la différence de température est importante et plus les matériaux sont différents (aluminium vs composite), plus l'adhésif doit être élastique.
Oui, la production moderne de batteries est hautement automatisée. Les systèmes de dosage avec applicateurs guidés par robot atteignent une précision de ±1 %. Le contrôle en ligne par des systèmes de caméras (Beadvision) vérifie la géométrie et le positionnement des cordons. La consistance des matériaux (viscosité, rapport de mélange) et les conditions environnementales (température, humidité de l'air pour les silicones RTV-1) sont des facteurs critiques. Les grands fabricants misent sur des systèmes d'approvisionnement en matériaux fermés avec régulation de la température et mélange continu. Des temps de cycle inférieurs à 60 secondes par pack de batteries sont à la pointe de la technologie.
Consigne de sécurité : travaux sur les blocs-batteries haute tension
Les packs de batteries contiennent des tensions pouvant atteindre 800 V avec des courants élevés. Les travaux ne doivent être effectués que par du personnel qualifié ayant suivi une formation sur la haute tension (HV-1, HV-2, HV-3 selon l'information DGUV 200-005). Avant d'ouvrir le pack : vérifier l'absence de tension, respecter les 5 règles de sécurité, utiliser un équipement de protection individuelle (outils isolés, protection faciale). Les cellules lithium-ion peuvent subir un emballement thermique si elles sont endommagées – ne jamais les soumettre à des contraintes mécaniques ni les court-circuiter.
