Un nombre croissant d’entreprises adoptent les cellules lithium-ion 4680 à haute capacité.
On pourrait penser que tous les véhicules électriques (VE) standardiseraient la configuration de leurs batteries de traction. En théorie, la réduction des différents types de cellules de batterie devrait réduire les coûts et accroître la fiabilité.
Pourtant, les cellules lithium-ion alimentant les VE sont disponibles dans des configurations allant de poches souples à des boîtes prismatiques en plastique rigide et à des cellules cylindriques de plusieurs dimensions. Chaque constructeur de VE, en collaboration avec son fournisseur de batteries, a une raison de choix de la configuration des cellules et justifiera fermement ses décisions.
Les batteries cylindriques alimentent le véhicule électrique Tesla. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Pexels
Batteries cylindriques 18650
Parmi les types de cellules de batterie lithium-ion de plus en plus populaires, on trouve celles de configuration cylindrique. Un des premiers promoteurs de petites cellules cylindriques était Tesla – sa voiture de sport originale, le Roadster de 2006, comportait 6800 cellules de configuration 18650 (18 mm de diamètre et 65 mm de long, soit légèrement plus grandes qu’une pile AA classique). Lorsque la Tesla Model S, véhicule grand public, est arrivée sur le marché en 2012, ces cellules 18650 étaient fabriquées par Panasonic et il y en avait jusqu’à 7728 dans un pack de 90 kilowattheures (kWh). Les cellules cylindriques 18650 ont été la force motrice de Tesla tout au long de sa gamme de modèles.
Pourquoi des batteries cylindriques ?
À bien des égards, les cellules cylindriques sont les plus faciles à fabriquer à l’aide d’équipements hautement automatisés. L’anode (électrode négative), la cathode (électrode positive) et les séparateurs de la cellule sont superposés comme une feuille enroulée et placée dans un boîtier cylindrique. Les cellules cylindriques offrent une capacité élevée et une capacité de décharge de courant sur une large plage de températures.
Structure d’une batterie cylindrique. Image utilisée avec l’aimable autorisation du Department of Energy
Bien que l’emballage de milliers de cellules cylindriques individuelles présente des défis, leur petite taille permet une certaine flexibilité dans la configuration du pack de batteries. Les cylindres plus petits permettent également des espaces entre les cellules pour faciliter leur refroidissement.
Batterie cylindrique 21700
En 2017, Tesla et Panasonic ont commencé la production de cellules cylindriques 21700. Légèrement plus grandes que les cellules 18650, avec un diamètre de 21 mm et une longueur de 70 mm, leur plus grande taille permet une augmentation de la surface des plaques d’anode et de cathode, ce qui leur permet de stocker plus d’énergie que les cellules plus petites. L’inconvénient est que les plaques d’anode et de cathode plus grandes augmentent la longueur du trajet que la charge doit parcourir, augmentant la résistance et entraînant une perte d’énergie supplémentaire sous forme de chaleur pendant la charge et la décharge. Les cellules 21700 (que Tesla appelle 2170) se trouvent dans la Tesla Model 3 et le système de stockage d’énergie Powerwall de l’entreprise.
Batteries cylindriques Tesla. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikimedia Commons
La batterie 4680
Tesla a présenté sa cellule 4680 (46 mm de diamètre et 80 mm de long) en 2020, et sa capacité supérieure est importante pour les produits de l’entreprise tels que le Cybertruck et le Semi. Bien que les plaques d’anode et de cathode plus grandes créeraient normalement des trajets de charge plus longs et une résistance accrue, une nouvelle conception de connexion « tables » compense cela en réduisant la résistance globale des cellules.
La plus grande capacité des cellules individuelles 4680 permet d’utiliser moins de cellules, ce qui crée plus de puissance dans un pack de même taille que les configurations de cellules 18650 et 21700 antérieures. Avec les cellules 4680, environ 960 cellules remplissent le même espace que les 4416 cellules des cellules 2170, avec une augmentation significative de la puissance et un coût par kWh plus faible. Tesla utilise les cellules cylindriques 4680 dans la Tesla Model Y et le Cybertruck, tous deux produits au Texas.
Les autres batteries entrent en jeu
Tesla et Panasonic ne sont pas les seules entreprises à reconnaître les avantages du passage aux cellules 4680. Le géant coréen des batteries LG Energy Solution (LGES) est connu pour travailler sur des cellules 4680 et commencera la production dans son usine d’Ochang en Corée du Sud en août 2024. La société prévoit également de commencer la production de ces cellules haute capacité dans son usine en construction en Arizona, qui sera opérationnelle en 2025. De plus, LGES pourrait commencer la production de cellules 4680 dans son usine de Nanjing en Chine, où elle produit déjà des cellules 2170 pour les Tesla Model 3 et Model Y construits en Chine.
D’autres constructeurs de VE envisagent d’utiliser des cellules cylindriques 4680 pour leurs futurs modèles. Ainsi, des entreprises leader dans le domaine des batteries telles que Panasonic et Contemporary Amperex Technology Co. Limited développent leurs propres versions pour répondre à la demande. Le format 4680 pourrait finalement devenir la configuration standard des batteries lithium-ion pour tous les futurs VE.