Il est facile de dire "batteries lithium-ion", mais derrière un terme de plus en plus utilisé se cachent de nombreuses technologies et autant de solutions techniques, parfois très différentes. Dans tous les cas, les batteries sont constituées d'un élément fondamental : les cellules, qui peuvent également être de différents types.

Les plus courantes, adoptées par Tesla sur la quasi-totalité de ses voitures, sont les cellules cylindriques.

Extérieurement, elles ne diffèrent pas beaucoup de la "pile" classique que nous utilisons tous les jours pour alimenter la télécommande de la télévision ou les jeux électroniques des enfants. À l'intérieur, en revanche, elles sont très différentes en termes de matériaux utilisés ainsi que par la complexité de leur construction. Elles doivent garantir une durabilité et des performances d'un niveau très différent.

Les bases

Une cellule lithium-ion se compose d'un certain nombre d'éléments principaux : l'anode (électrode négative), la cathode (électrode positive), le séparateur et l'électrolyte. Ce sont ces éléments qui permettent à la cellule de stocker de l'énergie et de la restituer au monde extérieur.

Il centro BMW dove nascono le batterie Gen6

L'anode, la cathode et le séparateur sont assemblés en feuilles superposées

  • Anode : l'électrode négative est généralement en graphite, mais les anodes en silicium s'imposent de plus en plus.
  • Cathode : l'électrode positive est constituée d'un oxyde métallique de lithium qui peut contenir des quantités variables de nickel, de manganèse et de cobalt. Récemment, différentes chimies ont été étudiées, la plus populaire étant le lithium-fer-phosphate
  • Séparateur : en matière plastique, souvent en polyéthylène ou en polypropylène.  
  • Electrolyte : liquide permettant le passage des ions lithium entre la cathode et l'anode. Il utilise des solvants qui le rendent hautement inflammable. Depuis peu, on expérimente des solutions aqueuses, plus résistantes aux hautes températures, ainsi que des électrolytes semi-solides et solides, qui améliorent également les performances de la cellule elle-même.
Panasonic Cell Lines at Gigafactory Limit Tesla Model 3 Production

Cellules cylindriques produites par Panasonic

Une structure complexe

Dans une cellule cylindrique, les électrodes sont constituées de feuilles superposées séparées, comme on peut le deviner, par le séparateur. Les feuilles disposées l'une sur l'autre sont enroulées sur elles-mêmes pour former une spirale, que l'on appelle un Jelly Roll. Elles sont placées à l'intérieur du boîtier extérieur et immergées dans l'électrolyte, qui permet le passage des ions lithium entre les deux électrodes.

Schéma d'une cellule lithium-ion

Si les électrodes, le séparateur et l'électrolyte sont les éléments qui permettent le passage effectif des ions lithium dans un sens et dans l'autre en fonction des phases de charge et de décharge, d'autres composants entrent dans la composition des cellules cylindriques : 

  • L'enveloppe extérieure, qui est en aluminium ou parfois en plastique très résistant.
  • La borne négative, un disque de cuivre ou un autre conducteur qui ferme la cellule en bas et est en contact avec l'anode
  • La borne positive, un autre disque, cette fois-ci généralement en aluminium, qui ferme la cellule en haut et est en contact avec la cathode. 

Il existe également des soupapes de sécurité dans la partie supérieure qui permettent de mieux gérer les augmentations de pression ou de température en cas de dysfonctionnement.

Tesla Giga Texas : production de cellules de batterie de type 4680 (rapport Tesla Q4 2022)

Les cellules cylindriques 4680 produites par Tesla à la Gigafactory d'Austin

Les avantages des cellules cylindriques

Par rapport aux autres types de cellules, les cellules cylindriques présentent un certain nombre d'avantages. Tout d'abord, étant les plus utilisées, elles sont plus matures que les autres architectures, ce qui les rend particulièrement fiables. De plus, en raison de leur forme, elles ne se déforment pas facilement, ce qui fait de l'intérieur de la batterie un environnement moins stressant.

Comme elles sont généralement plus petites que les cellules d'autres formats et qu'elles ont une grande surface par rapport au volume total occupé, elles parviennent également à bien dissiper la chaleur, ce qui leur permet de mieux fonctionner, même dans des conditions de stress élevé.

Galerie: Centre de compétences BMW pour la fabrication de cellules