Les types de cellules dans les batteries de voiture électrique lithium-ion

Plan de l'article :

Cellules prismatiques
Cellules cylindriques en forme de pile
Cellules poche

Composées d'une multitudes de cellules, les batteries de voitures électriques peuvent intégrer plusieurs type d'accumulateurs. Parmi les diverses technologies de cellules utilisées, on retrouve principalement les cellules prismatiques, les cellules poche, ainsi que les cellules cylindriques en forme de pile. Chacun de ces types de cellules présente des caractéristiques distinctes, avec leurs avantages et leurs inconvénients que nous allons recenser dans cet article.

Cellules prismatiques

Les cellules prismatiques sont souvent utilisées dans les batteries de voiture électrique en raison de leur taille conséquente (plus adaptée à une voiture qui a besoin de beaucoup de puissance et de réserve) et à sa capacité à s'empiler comme des Lego, ce qui augmente sa densité volumique (énergie disponible par unité de volume). Il existe deux types de cellules prismatiques : les feuilles d’électrodes à l’intérieur du boîtier (anode, séparateur, cathode) sont soit empilées, soit enroulées et aplaties. Leur forme rectangulaire permet donc une intégration efficace dans le châssis (surtout les plateformes "skateboard"), ce qui permet un gain d'espace et une meilleure densité d'énergie encore une fois. De plus, les cellules prismatiques sont généralement moins chères à produire que les autres types de cellules, ce qui peut contribuer à réduire le coût global de la batterie (qui représente encore ce qu'il y a de plus cher dans une voiture électrique).

Cependant, elles peuvent être plus sensibles aux dommages mécaniques en raison de leur structure plate, et elles ont tendance à avoir une durée de vie légèrement inférieure par rapport à d'autres types de cellules : leur taille accrue rend le refroidissement de la batterie moins facile à réaliser car c'est la chaleur le premier ennemi de la chimie interne (chaque cellule est plus grosse et épaisse, elle devient donc plus difficile à refroidir puisque son inertie thermique est plus importante).

En termes de densité énergétique on est à environ 200 wh/kg, avec généralement 185 Wh/kg pour de la chimie LFP et 240 Wh/kg pour de la NMC. Mais pour être objectif ce ne sont pas vraiment les types de cellules qui influent véritablement sur la densité, mais surtout la chimie interne.

Cellules cylindriques en forme de pile

Les cellules cylindriques en forme de pile sont utilisées dans tout un tas applications (grande polyvalence car petite taille qui peut servir à de plus petits objets), y compris les batteries de voitures électriques comme vous vous en doutez. Leur conception cylindrique offre une excellente résistance mécanique en cas d'accident et permet une meilleure gestion thermique (elles sont moins massives donc bien plus faciles à refroidir) par rapport à des prismatiques par exemple, ce qui contribue à prolonger leur durée de vie et à maintenir leur performance à des niveaux optimaux. Elle ne sont toutefois pas totalement idéale car leur "coquille" métallique pénalise un peu le refroidissement ... Elle sont malgré tout adaptées aux voiture hautes performances, que ce soit en termes de performances comme la vitesse de charge qui nécessite un contrôle précis sur le température des cellules par la pompe à chaleur ou tout autre dispositif qui utilise une résistance électrique.

Les cellules cylindriques présentent une grande disponibilité sur le marché, ce qui peut les rendre économiquement attractives pour les fabricants. Cependant, leur intégration dans la batterie peut être plus complexe en raison du nombre très importants de cellules à installer, ce qui peut limiter la flexibilité dans la conception de la batterie et entraîner des coûts supplémentaires d'assemblage et de gestion.

De plus, étant donné que ces cellules sont assemblées par soudure, il devient difficile de remplacer une cellule défaillante individuellement. Par conséquent, dès qu'une cellule rencontre un problème, l'ensemble du module doit être remplacé (une batterie se compose de plus moins de modules).

En termes de densité énergétique on est à environ 250 Wh/kg (selon le calibre du cylindre et sa chimie). Par exemple, les deux piles exposées plus haut sont à 200 Wh/kg pour la plus grosse et 300 Wh/kg pour la plus petite. Les densités par masse sont donc assez similaires aux batteries prismatiques, et on perd plutôt ici en densité énergétique par unité de volume et non de poids.

Cellules poche

Les cellules poche, également connues sous le nom de cellules à poches ou à sachets, sont caractérisées par leur structure souple et leur enveloppe extérieure en aluminium ou en polymère. Elles peuvent donc avoir la taille et la forme que l'on veut, elles peuvent donc servir à la fois pour des voitures comme pour des téléphones.

L'un de ses avantages premiers est d'être économique à la fabrication, et vous noterez que les batteries LFP sont généralement produites sous ce format.

Les cellules poche offrent également une densité énergétique très élevée, ce qui se traduit par une autonomie accrue pour un même volume de batterie (sans omettre leur poids modéré en raison de leur conception avec des matériaux légers, contrairement par exemple à une cellule cylindrique qui est contenue dans un tube métallique plus lourd, tout comme les prismatiques). Cependant, elles peuvent être plus sujettes à l'expansion et à la déformation sous de forte charges ou décharges, ce qui peut compromettre leur intégrité structurelle et leur durabilité à long terme. Il faut donc aussi prendre en compte cette dilatation et prévoir de l'espace supplémentaire dans le pack batterie (dans lequel les poches se situent). Et si il est vrai que ce type de cellule se refroidit mieux en raison de leur faible épaisseur (favorisant une meilleure gestion thermique et donc une durabilité accrue dans le temps), dans le cas d'une voiture électrique ce n'est pas vraiment le cas car elles sont empilées entre elles et ne disposent pas d'un circuit de refroidissement liquide qui circuleraient à travers ces dernières. On a donc des modules constitués de plusieurs poches qui elles-même constituent des masses difficiles à refroidir. Il faut toutefois rappeler que cela dépend de la conception même du pack batterie au niveau du refroidissement, avec des cellules qui sont plus oui moins en contact avec le dispositif de refroidissement, qui peut être à air pulsé ou liquide dans le cas des voitures les plus sophistiquées (bien que ça devienne la norme ...).

Ici en version batterie solide

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