Au cours des dernières années, la demande en piles et batteries n’a cessé de croître à travers le monde. Indispensables dans notre quotidien, ces petits éléments fournissent l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement d’une multitude d’appareils. Leur disponibilité pour le grand public est aujourd’hui essentielle, amenant les fabricants à créer une quantité considérable de piles chaque jour. Afin de mieux comprendre le fonctionnement des piles et des batteries, il est intéressant de faire un point complet sur leur mode de fabrication et les matériaux utilisés pour cela.

La méthode de fabrication employée pour les piles

Produites en grand nombre par les fabricants, les piles alcalines représentent une part importante du marché mondial des piles et des batteries. Celles-ci produisent de l’énergie électrique grâce à une réaction chimique interne générée par le mouvement des électrons. Leur déplacement est rendu possible en utilisant deux métaux différents qui font office de conducteurs. Le mode de fabrication des piles permet ainsi aux électrons d’être attirés par ces deux métaux (l’anode et la cathode), interconnectés par l’électrolyte qui favorise leur déplacement.

Concrètement, la fabrication d’une pile alcaline débute par la création d’une coque en acier. Creuse et étroite à la fois, elle est mise en contact avec le dioxyde de manganèse (jouant le rôle de l’électrode positive) pour devenir le point positif de la pile. Un anneau métallique en dioxyde de manganèse est ensuite inséré à l’intérieur de la coque, puis une couche de papier imprégnée d’électrolyte est placée par-dessus lui. Cette fine épaisseur sert de séparation avec la pâte de zinc qui constitue l’électrode négative. Enfin, un bouchon est placé sur la pile, directement dans la pâte de zinc. Il représente le point négatif de la pile.

Cette conception particulière permet de former un circuit fermé entre les deux points positif et négatif. De cette façon, les électrons négatifs sont attirés par le côté positif de la pile et génèrent de l’électricité.

La mise au point de cellules au lithium

Outre les piles alcalines, des systèmes de stockage d’énergie portables sont utilisés à grande échelle à travers le monde. C’est le cas notamment des cellules lithium-ion, dont la fabrication est plus complexe, que l’on retrouve à l’intérieur de nos smartphones notamment. Pour concevoir ce type de batterie, un plus haut degré d’automatisation est nécessaire, avec un processus se déroulant en trois phases.

La première partie concerne la production d’électrodes. Ces éléments sont essentiels pour tous les types de piles et de batteries. La chaîne de fabrication utilisée est conçue pour éviter la contamination entre les matériaux. L’anode et la cathode sont fabriquées de manière séparée, la première avec une feuille de cuivre enduite de graphite, la seconde avec de l’aluminium couvert d’un autre type de métal. Plusieurs phases de production sont lancées pour traiter ces matériaux de base. Une « suspension » est créée à partir de substances chimiques puis appliquée sur une feuille de métal avec un solvant, avant d’être mise à sécher. Pour lui donner la forme voulue, cette feuille passe dans deux systèmes de rouleaux et de couteaux, pour obtenir des fragments de la taille adéquate.

Les électrodes vont dans un second temps devoir être assemblées dans un environnement sec pour conserver leur rendement. L’assemblage des cellules se fait en plusieurs étapes, en plaçant les électrodes découpées (au laser le plus souvent) dans des boîtiers spécifiques alternant anode, séparateur et cathode. L’assemblage par soudage produit des cellules placées dans un emballage scellé, avec une ouverture permettant d’y placer l’électrolyte.

Enfin, la batterie va entrer dans sa phase de conditionnement. La cellule fabriquée est alors chargée pour la première fois et subit différents tests de contrôle qualité. En fonction des applications prévues, le nombre de cellules utilisées varie. Pour une batterie de voiture électrique, plusieurs modules soudés entre eux sont nécessaires, chacun contenant jusqu’à une dizaine de cellules au lithium connectées.

Les types de matériaux utilisés

Les piles et les batteries demandent plusieurs matières premières entrant en jeu lors de leur production. Pour pouvoir répondre à la forte demande du marché, les fabricants ont besoin de disposer en grande quantité de ces différents matériaux.
Les éléments les plus importants pour la fabrication de piles sont les métaux. Les piles alcalines sont conçues à partir de zinc et de dioxyde de manganèse. Dans le cas de batteries plus sophistiquées, le lithium, le cadmium, le nickel et le fer vont être employés. En remplacement du zinc, le magnésium et l’aluminium peuvent être utilisés pour les électrodes.

Pour concevoir les cathodes et les anodes, des oxydes métalliques sont également indispensables. Les fabricants se servent en général d’oxyde de manganèse ou d’oxyde de zinc. Pour des batteries plus puissantes, du lithium est combiné à des métaux divers (cobalt, nickel, vanadium, etc.).
Pour générer de l’électricité, les électrolytes sont une nécessité, sous forme de solutions aqueuses principalement. De l’hydroxyde de potassium est employé dans les piles alcalines. On utilise plutôt du carbonate de vinylène dans les batteries lithium-ion.

La production d’électrodes requiert quant à elle du graphite. Il s’agit de carbone en poudre qui a la particularité d’être un excellent conducteur de l’électricité. Sur certaines batteries, plusieurs barres de graphique sont employées.

Enfin, des matériaux plastiques sont aussi présents dans les piles et les batteries vendues dans le commerce. Le polyéthylène de même que le polypropylène servent de séparateur entre l’anode et la cathode, et permettent de fabriquer le revêtement ainsi que le boîtier entourant les batteries.

Batribox, un acteur majeur pour la filière du recyclage des batteries

Batribox intervient à la fin de vie de ces batteries une fois commercialisées, pour soit les envoyer au recyclage donc pour extraire les matières premières comme le plastique, le cobalt, l’aluminium et le fer.  Mais aussi pour leur donner une seconde vie, en testant leur performance et les confier à des spécialistes pour reconditionner les cellules et les remettre sur le marché.