Telsa est l’un des plus gros acheteurs de batteries au monde grâce à ses partenariats avec des fabricants comme Panasonic, LG et CATL. Leur soif infinie de cellules supplémentaires ne sera probablement pas rassasiée de sitôt, car la demande de voitures électriques et de stockage d’énergie continue d’augmenter.

Comme annoncé lors de son discours d’ouverture sur le Battery Day, Tesla a travaillé d’arrache-pied sur un large éventail de projets pour faire passer la technologie des batteries au niveau supérieur afin d’atteindre leur objectif de production annuelle de 3 TWh d’ici 2030. L’un des aspects les plus intéressants de ceci était l’annonce de la nouvelle batterie 4680 de Tesla, qui sera fabriquée par l’entreprise elle-même. Jetons un coup d’œil à ce qui rend le 4680 si excitant, et pourquoi le fait de ne pas être sur table est si important.

Roll Up, Roll Up

Un schéma montrant une conception de cellule cylindrique typique, avec des pattes pour connecter l’anode et la cathode au boîtier de la cellule.

Tesla est quelque peu unique parmi les constructeurs de voitures électriques en ce sens qu’ils ont résolument opté pour l’utilisation de cellules cylindriques dans leurs batteries, là où d’autres fabricants ont largement utilisé des conceptions prismatiques. En commençant par le vénérable 18650 populaire auprès des fabricants d’ordinateurs portables et des fabricants de lampes de poche, Tesla est ensuite passé à l’utilisation de batteries 21700 plus grandes, le facteur de forme plus grand signifiant que chaque cellule avait une plus grande capacité. Pour construire ces cellules, de longues et minces feuilles de matériau d’anode et de cathode sont posées l’une sur l’autre avec un matériau séparateur entre les deux, puis enroulées en un «jellyroll» pour s’adapter à l’intérieur du corps cylindrique. L’anode et la cathode ont chacune une petite patte, généralement au centre des feuilles enroulées, qui transmettent l’alimentation aux bornes sur le boîtier extérieur de la batterie.

Ces petites languettes retiennent les cellules cylindriques de multiples façons. Ils agissent comme un goulot d’étranglement pour le courant entrant et sortant de la cellule, car malgré l’énorme surface de l’anode et de la cathode, tout le courant entrant et sortant de la batterie doit passer par une paire de languettes de seulement quelques millimètres de large. Les électrons des zones extérieures du jellyroll doivent parcourir une distance significative pour atteindre le terminal de la cellule, avec une longueur de chemin électrique allant jusqu’à 250 mm dans 21700 cellules. Cette plus grande longueur de trajet signifie plus de résistance, avec un effet correspondant sur les performances thermiques. De plus, les languettes gênent les efforts pour produire efficacement des feuilles d’anode et de cathode à grande vitesse, les machines de production devant s’arrêter et démarrer de manière répétée pour traiter les caractéristiques en saillie.

Tesla a modélisé l’impact de la taille des cellules sur les temps de charge, ce qui est un problème majeur avec les batteries classiques utilisant des onglets. La nouvelle conception sans tablette aide à résoudre ce problème grâce à des performances thermiques améliorées.

Tesla avait déjà réalisé des gains de performances lors du passage de 18650 cellules à la conception 21700 plus grande, mais les efforts pour augmenter encore la taille des cellules ont heurté un mur de briques. Alors que les cellules plus grandes peuvent stocker plus d’énergie et permettre des économies de coûts de production, les problèmes thermiques signifiaient que les temps de charge et les taux de décharge seraient négativement affectés. Des cellules plus grandes signifient des longueurs de chemin plus longues, la résistance plus élevée signifiant moins de puissance de sortie par cellule et une charge plus lente. Même avec la technologie de charge rapide de Tesla, beaucoup considèrent toujours que les voitures électriques se rechargent trop lentement, c’est donc un compromis qui ne valait pas la peine d’être fait.

La «spirale en bardeaux» du jellyroll dans une batterie de table. Au lieu d’une languette au centre du jellyroll, la base entière permet au courant de circuler vers le matériau actif.

Entrez les piles «tabless». Plutôt que d’avoir une petite languette de batterie attachée respectivement à l’anode et à la cathode, les feuilles d’anode et de cathode entières sont dessinées au laser et traitées pour avoir essentiellement de nombreuses petites languettes sur toute leur longueur. Remplace l’étape consistant à attacher manuellement des onglets séparés plus tard dans le processus de fabrication.

Lorsque l’anode, la cathode et le séparateur sont tous enroulés ensemble, ces nombreuses pattes plus petites s’aplatissent pour former une «spirale en bardeaux», créant une zone de contact beaucoup plus grande entre le matériau actif de la batterie et le boîtier. Cela signifie que la longueur de trajet des électrons à parcourir est très réduite; Tesla cite jusqu’à 5 fois la réduction par rapport aux conceptions précédentes. Cela est dû au fait que les électrons peuvent maintenant se déplacer directement vers la borne de la batterie, plutôt que de devoir d’abord emprunter un chemin plus détourné vers le centre de la feuille pour atteindre la connexion à une seule languette.

Le résultat final est la cellule 4680, nommée pour son diamètre de 46 mm et sa longueur de 80 mm. Il s’agit d’un écart par rapport à la nomenclature à cinq chiffres, mais personne chez Tesla ne pouvait comprendre pourquoi 18650 cellules avaient le zéro final, alors la société l’a éliminée dans la désignation de la nouvelle cellule. Les nouvelles cellules sont censées contenir 5 fois l’énergie des conceptions antérieures en raison de leur plus grande taille. Mieux encore, Tesla affirme qu’ils peuvent fournir jusqu’à 6 fois la puissance, en raison de la longueur de chemin électrique réduite de la construction sans table permettant de meilleures performances thermiques. Selon les estimations, le passage à 4680 cellules dans les packs automobiles de Tesla pourrait entraîner un gain d’autonomie allant jusqu’à 16% – un nombre impressionnant étant donné les chiffres déjà impressionnants du constructeur automobile dans ce domaine. Par exemple, le prochain Modèle S Plaid prétend avoir une autonomie de 520 miles en utilisant les 4680 cellules.

La nouvelle cellule 4680 de Tesla. Il suit le schéma de dénomination du 18650, sauf en abandonnant le zéro final car personne dans l’entreprise ne pouvait déterminer ce que cela signifiait.

La nouvelle conception apporte également des avantages de production. En modelant au laser l’anode et la cathode pour une connexion directe, plutôt que de fixer des languettes séparées, les matériaux peuvent être manipulés par un traitement en rouleau continu, pas différent des techniques de production de papier. Cela promet d’énormes gains de vitesse de production, avec des machines capables de se déplacer à des vitesses élevées continues plutôt que de devoir continuellement accélérer et décélérer pour la fixation des pattes à chaque feuille d’anode et de cathode. Les objectifs de Tesla de produire plus de batteries pour répondre à la demande ne sont pratiquement pas réalisables avec les techniques de production actuelles, de sorte que des améliorations de la vitesse de traitement et de production sont essentielles pour résoudre ce problème. Cela entraînera également une réduction des coûts, ce qui est une partie importante des efforts de l’entreprise pour produire un véhicule électrique plus accessible au prix de 25 000 $.

Ces nouvelles cellules, avec leur plus grande densité d’énergie et leur puissance de sortie élevée, attireraient un énorme marché de hackers et de fabricants. Cependant, le thème continu tout au long de la keynote de Tesla était qu’ils ne pouvaient tout simplement pas se procurer suffisamment de batteries pour répondre à leurs besoins tels qu’ils sont. Nous soupçonnons qu’il faudra plusieurs années avant que les batteries de table n’arrivent sur le marché libre, car Tesla conserve l’intégralité de son approvisionnement pour son propre usage interne. D’autres fabricants s’efforceront probablement de développer une technologie similaire en raison des gains proposés, mais cela prendra du temps et, entre-temps, les personnes souhaitant les meilleures cellules cylindriques devront attendre que de nouveaux Teslas apparaissent dans leurs parcs de démolition locaux.

L’annonce de la technologie tabless n’était qu’un élément des annonces de la journée de la batterie de Tesla. Des travaux sont en cours pour réaliser des gains dans d’autres domaines, tels que la chimie des anodes et des cathodes, et les techniques de production, afin de répondre aux nobles objectifs de l’entreprise d’augmenter la production de batteries pour répondre à la demande mondiale. Si le transport électrique et le stockage sur réseau Powerwall doivent vraiment changer le monde, des projets comme ceux-ci devront porter leurs fruits, sinon nous n’aurons tout simplement pas les batteries à installer dans les voitures!

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