Pile au lithium cylindrique, à poche, prismatique, pourquoi Tesla préfère-t-elle les cellules cylindriques ?

Les batteries lithium-ion sont des batteries secondaires (batteries rechargeables) qui reposent sur les ions lithium pour se déplacer entre la cathode et l'anode, également connues sous le nom de "batteries à bascule".

Pendant la charge et la décharge, les ions lithium sont incorporés et désincorporés entre les deux électrodes. Lors de la charge, les ions lithium sont retirés de la cathode et incorporés dans l'anode par l'intermédiaire de l'électrolyte, qui est riche en lithium, alors que c'est l'inverse lors de la décharge.

1) Différentes formes d'emballage des piles au lithium-ion : Cylindrique, poche, prismatique

Du point de vue des composants, la batterie au lithium-ion peut être divisée en électrode positive, électrode négative, électrolyte, diaphragme, collecte des fluides et matériaux d'emballage. Le matériau d'emballage fait référence à l'emballage qui enveloppe tous les composants de la batterie au lithium-ion. L'emballage des batteries au lithium-ion se présente sous différentes formes : cylindrique, en pochette ou en boîte. pile prismatique au lithium ont été largement considérées comme les principales catégories.

En fait, les piles au lithium cylindriques, en sachet et prismatiques ne sont pas très différentes. Les composants matériels internes sont similaires, mais l'emballage est différent.

Les matériaux de l'enveloppe métallique (acier ou aluminium) sont les principaux matériaux d'emballage des piles prismatiques au lithium et des piles cylindriques au lithium. La batterie à poche est l'une des trois voies d'accès aux batteries qui utilisent un film plastique en aluminium (la batterie à lame de BYD utilise une cellule de batterie au lithium prismatique, mais elle utilise également un film plastique en aluminium). Par rapport aux batteries au lithium cylindriques et prismatiques, les batteries à poche sont des solutions plus récentes, dont la maturité technique est moindre et les obstacles à la recherche et au développement plus importants. Les principales différences sont le coût, la livraison et la marge de manœuvre pour l'itération technologique.

2. la relation entre la forme de l'emballage, les performances de la batterie et la technologie

En raison de la forte corrélation entre l'atténuation de la capacité de la batterie et la gestion thermique, le géant des véhicules à énergie nouvelle Tesla a mis au point la première technologie BMS au monde, menant ainsi le développement des véhicules électriques. Dans la batterie Tesla pour véhicule électrique, des milliers de cellules cylindriques au lithium-ion sont regroupées et apparaissent particulièrement denses sur le châssis du véhicule à quatre roues.

L'énergie de rapport du pack cylindrique de cellules lithium-ion est faible une fois qu'il est groupé, prenons un exemple.

Batterie tesla pour le modèle 3 : batterie au lithium prismatique version LFP (280,4×82,3×62,8 mm), 1P106S, tension d'alimentation 341,3 V, densité de poids 125 Wh/kg ; batterie au lithium cylindrique 21700 version NCM, 46P96S, tension d'alimentation 355,2 V, densité de poids 161 Wh/kg ; Dans le même véhicule d'une puissance de 80 kWh, la version prismatique de la batterie au lithium pèse 640 kg, tandis que la version cylindrique pèse 497 kg, ce qui représente une différence de poids significative.

Le choix des piles au lithium cylindriques, à poche et prismatiques a donc été limité par la technologie existante des piles au lithium, et l'amélioration est limitée. La chaîne industrielle tente de faire une nouvelle percée, en optimisant la taille de la cellule, pour atteindre la hauteur, la longueur et la largeur des trois directions d'extension, améliorant ainsi de manière significative le taux d'utilisation du volume, ce qui est une logique générale.

Par conséquent, le cylindre représente manifestement un défi plus important en termes de coûts et de processus que le type de pile au lithium prismatique. Les défis les plus importants sont le soudage de la cosse de l'électrode après l'agrandissement du cylindre, et la possibilité de fuites et de renflements après l'augmentation de la matière active. En outre, la force inégale augmente la résistance interne, ce qui accroît la capacité irréversible de la batterie et affecte sa durée de vie.

3.Comparer la pile au lithium prismatique avec la pile cylindrique et la pochette

Batterie prismatique

Le consensus général est que la pile au lithium prismatique peut être adaptée aux besoins spécifiques des produits qu'elle transporte et qu'elle est plus malléable. Cela explique également les différentes tailles d'emballage des piles prismatiques au lithium sur le marché, ce qui rend le post-traitement difficile, sans parler de la division claire du processus de fabrication ou des normes d'application.

Cependant, l'industrie automobile en est encore à ses débuts, l'électrification entraîne des différences horizontales entre les différentes marques automobiles, ce qui laisse de la place à la personnalisation. Dans les différents niveaux, tels que les voitures de classe A00, A0 et A, les spécifications des cellules sont relativement unifiées et pas trop grandes, généralement dans la limite de NCM75Ah. De nombreux constructeurs automobiles estiment également que la cellule prismatique est très flexible et peut être adaptée à la taille de la batterie prismatique au lithium en fonction des besoins du modèle, ce qui constitue la conception de batterie la plus appropriée pour l'application des véhicules à énergie nouvelle.

Avantages :

Parmi ses autres avantages, la batterie prismatique au lithium présente une densité énergétique élevée, une technologie mature, une grande plasticité, une résistance structurelle élevée, une bonne capacité de charge anti-mécanique, une faible résistance interne de la batterie, une longue durée de vie, une grande utilisation de l'espace, une faible diminution de la densité énergétique après la mise en place de l'accumulateur. Elle reste donc la principale batterie d'alimentation, représentant 82% du total, principalement utilisée pour les véhicules de tourisme.

Inconvénients :

En outre, l'inconvénient de la cellule de batterie prismatique est également évident. En raison de la longueur de l'électrode, des nombreux sites de soudure, des mauvaises conditions thermodynamiques et cinétiques du transfert d'ions et du faible taux d'utilisation du volume, l'énergie spécifique et la densité volumique de la pile prismatique au lithium sont plafonnées. L'utilisation de sacs souples pour réduire le poids, de CTP et d'autres innovations structurelles peut facilement provoquer des fuites et une capacité irréversible, ce qui finit par rendre la batterie prismatique au lithium facilement défaillante et conduire à une accumulation de dendrites de lithium, ce qui peut facilement provoquer un incendie.

Batterie cylindrique

La batterie circulaire a un bon effet de dissipation de la chaleur et un processus de production mature, ce qui est la voie technique privilégiée par la batterie Tesla à l'heure actuelle. On peut dire que la batterie cylindrique est l'une des meilleures pratiques en matière de batterie au lithium, ainsi qu'un produit normalisé et universel.

Batterie 18650 & 21700

La batterie 18650 a été développée par SONY au Japon en 1992. La batterie cylindrique actuelle peut être divisée en 14650, 18650, 21700, 32650, 4680 et d'autres modèles, qui sont nommés en fonction de la taille de la batterie. La 18650 est la batterie la plus mature, tandis que la 21700 est une nouvelle batterie Tesla qui a été développée ces dernières années. L'avantage de la 21700 est que le nombre de cellules est réduit, de sorte que l'agencement de la batterie est meilleur, et que la batterie cylindrique unique est plus grande et plus puissante. De cette manière, le nombre de cellules peut être considérablement réduit, ce qui rend le véhicule plus pratique dans l'agencement du système de batterie, et les performances peuvent également être améliorées.

Avantages :

Par conséquent, les batteries cylindriques présentent des avantages considérables en matière de dissipation de la chaleur, et un bon espace de dissipation de la chaleur est formé entre la cellule et la cellule lors de l'emballage, de sorte que certains véhicules équipés de batteries cylindriques utilisent la technologie de refroidissement par air à faible coût. En outre, la petite cellule cylindrique, parce que la matière active est moins importante, très courte (processus de soudage mature), le point actif est donc moins important, la consistance est donc meilleure, la résistance interne est faible, ce qui permet une production rapide à grande échelle. En outre, la courte distance de migration des ions, les particules directionnelles et la migration directionnelle des ions font que la batterie cylindrique a de meilleures performances de cyclage et de multiplication.

Comme la matière active est moins importante, la pièce polaire est courte (le processus de soudage est mûr), le point actif de la cellule cylindrique est moins important, de sorte que la cohérence est meilleure, la résistance interne est faible et la production de masse peut être rapide. En outre, la courte distance de migration des ions, les particules directionnelles et la migration directionnelle des ions permettent à la cellule cylindrique d'avoir de meilleures performances en matière de cyclage et de multiplication.

Inconvénients :

Bien entendu, les batteries cylindriques présentent des inconvénients. Il est inévitable de faire face au problème de contrôle de la fiabilité posé par un grand nombre de cellules individuelles. Même si l'on utilise des batteries 21700, des milliers de cellules cylindriques doivent être assemblées pour former des packs de batteries, ce qui reste très important.

En ce qui concerne la forme de la batterie, la batterie cylindrique ne peut adopter qu'une disposition matricielle essentiellement rectangulaire et être installée sur le châssis du véhicule. Cette méthode est unique, car elle permet de s'assurer que la batterie n'affecte pas le poids du véhicule, mais elle aura une incidence sur la garde au sol du véhicule et sur la hauteur de la plate-forme dans la voiture. Toutefois, si la cellule cylindrique est utilisée dans les modèles hybrides, elle ne peut être placée que sous le coffre. Bien que la répartition du poids soit équilibrée, l'espace de la voiture est également sacrifié, ce qui se traduit par une expérience de conduite médiocre.

Pochette battrey

À l'heure actuelle, il existe de nombreuses piles prismatiques au lithium sur le marché. Bien qu'ils portent le nom de batterie prismatique au lithium, leur nature interne reste celle d'une batterie à poche (l'objectif principal est de réduire le poids et d'améliorer la densité énergétique de la structure du système).

Avantages :

L'avantage de la batterie en pochette est qu'elle est très sûre, car la coque en film plastique d'aluminium est solide, en cas de réaction thermique, elle ne fait que se dilater et n'est pas susceptible d'exploser.

Comme la méthode de fabrication laminée est adoptée et que l'emballage en film plastique d'aluminium est plus léger que la coque d'aluminium, le volume de la batterie à poche est plus fin et la densité d'énergie est la plus élevée. La capacité est supérieure de 10-15% à celle d'une batterie à coque en acier de même taille, et de 5-10% à celle d'une batterie à coque en aluminium. À l'heure actuelle, il s'agit de l'itinéraire technique principal dans les pays européens. Les piles à poche sont considérées comme une solution aux problèmes de durée de vie et de sécurité des piles, ainsi que comme un moyen d'assurer la transition vers les piles à l'état solide.

La forme de la batterie de la pochette, qui n'est pas limitée aux rectangles, laisse plus de place à l'imagination. Elle peut former un petit ensemble de batteries et le placer sous le coffre, ou être disposée en forme de T. Par conséquent, si l'on tient compte de l'agencement et du poids du véhicule, les avantages de la batterie à poche sont plus évidents. Mais pour l'instant, il n'y a que très peu de fabricants qui peuvent procéder à la stratification.

Inconvénients :

Le plus gros problème est que le processus de laminage rend la tolérance de soudage importante, il n'est pas facile de fabriquer de grandes poches, et même si elles sont grandes, la résistance interne et la chute de pression sont inévitables. C'est pourquoi, bien que la batterie à poche soit la dernière technologie de cellule longue, de nombreuses petites et moyennes entreprises ne peuvent fabriquer que de petites batteries à poche. Les piles à poche ont un seuil technique.

En outre, le contrôle de la technologie des produits laminés présente également une grande difficulté. Une plus grande difficulté est un grand test pour le contrôle de la qualité. Lorsque des problèmes de contrôle de la qualité surviennent, la durée de vie et la sécurité de la batterie sont directement affectées.

Les emballages en sachet sont techniquement difficiles, et leurs avantages sont aussi évidents que leurs inconvénients. L'augmentation du volume pour le coût se traduit par une mauvaise uniformité, qu'il est presque impossible de modifier. En outre, si la batterie de poche est utilisée dans un environnement interne où le transfert de chaleur est insuffisant (tel qu'un environnement adiabatique ou à haute température), la température de la batterie augmentera de manière significative (augmentation de la température), ce qui entraînera la formation de points chauds à l'intérieur de la batterie, qui peuvent éventuellement conduire à un emballement thermique. Par conséquent, la batterie à poche nécessite un système de contrôle de la batterie plus complexe, ce qui représente un véritable travail technique.

L'apparence de la batterie à poche est la même que celle des deux autres batteries. En fait, l'intérieur de la coque dure est constitué d'une pile de cellules de poche, qui sont empilées verticalement. Une couche de liquide de refroidissement est insérée entre chaque paire de piles. Le liquide de refroidissement est injecté par un orifice d'injection d'eau (thermoformage), et le tuyau sur le liquide de refroidissement est rempli, ce qui circule et évacue la chaleur. En outre, le liquide de refroidissement peut être chauffé par le serpentin pour réchauffer la batterie, ce qui garantit que la batterie fonctionne à la température optimale, même par grand froid.

Un autre problème des piles à poche est l'utilisation d'un film d'aluminium (y compris un film PET et de la colle). À l'heure actuelle, le coût de la technologie du film aluminium-plastique est élevé et un niveau technique élevé est nécessaire.

L'application de la batterie à poche chez les constructeurs automobiles

En raison de sa densité énergétique plus élevée, de sa bonne sécurité, de sa faible résistance interne et de sa conception plus souple, la batterie au lithium à poche est largement utilisée dans le domaine des applications pour voitures particulières, dans l'industrie automobile mondiale.

Selon les données de EV Sales, en Europe en 2020, 15 des 20 premiers véhicules de tourisme à énergie nouvelle seront équipés de batteries à poche, représentant 75% du marché. Le nombre de modèles équipés de batteries à poche est très important : selon des statistiques incomplètes, il y aurait plus de 30 modèles équipés de batteries à poche.

Entreprises et modèles automobiles utilisant des batteries à poche

4. la particularité de la batterie de puissance

Les batteries au lithium-ion, en particulier les batteries au lithium-ion pour véhicules, sont soumises à un processus très complexe. Par conséquent, depuis le développement du produit de la cellule jusqu'à la livraison de l'emballage final, il est nécessaire de suivre un processus strict de conception de la cellule - échantillon A - échantillon B - échantillon C (D) -SOP, et de subir des tests de perforation, de vibration, de surcharge, de court-circuit externe, de chauffage, de plaque chauffante et d'autres tests, ainsi que des tests d'isolation et de haute tension (2700V). Par conséquent, les bouteilles, les sachets et les piles prismatiques au lithium doivent tous être soumis à ces normes avant d'être chargés.

En outre, une fois le bloc-batterie remis à l'entreprise automobile, celle-ci vend le produit terminal au client et doit alors faire face à des conditions de travail inimaginables. Au début du modèle de voiture qui passe à la batterie, le châssis étant bas, il est facile de provoquer des éraflures, des collisions et une conduite irrégulière.

Les habitudes de conduite des voitures à pétrole ne peuvent évidemment pas s'adapter à la "délicatesse" des voitures électriques. Par conséquent, elle entraîne souvent des changements physiques au niveau macro, qui entraînent à leur tour des changements chimiques au niveau micro, et finalement une perte de contrôle de l'énergie (détérioration des conditions thermodynamiques et cinétiques).

5. la forme de l'emballage des principaux fabricants de batteries d'énergie : relativement dispersée

Du point de vue de l'approvisionnement des usines de batteries, les 10 premières entreprises de batteries électriques en 2020, telles que LG Chem, SKI, vision AESC, etc. sont principalement des entreprises de batteries à poche.

La disposition clé des autres fournisseurs principaux se trouve toujours dans le domaine des piles au lithium cylindriques et prismatiques (les piles au lithium prismatiques sont notamment les suivantes : CATL, BYD, Samsung SDI ; les piles cylindriques sont notamment les suivantes : CATL, BYD, Samsung SDI : CATL, BYD, Samsung SDI ; les batteries cylindriques comprennent : Panasonic), la solution des principaux fournisseurs de batteries est relativement dispersée.

Solution d'emballage des principaux fabricants de batteries :

Selon les données, la tendance à l'électrification mondiale s'accélérant, 15 des 20 modèles les plus vendus en Europe ont adopté la batterie au lithium à poche, et des entreprises automobiles internationales telles que Volkswagen, Daimler, Mercedes-Benz et Hyundai ont adopté la batterie à poche comme voie technologique principale.

À court et à moyen terme, la part de marché des batteries à poche dans le domaine des batteries de puissance est principalement due aux ventes de véhicules à énergie nouvelle en Europe et aux États-Unis.

Avec l'application de plus en plus répandue des solutions de conditionnement en sachets par les grandes entreprises automobiles (en particulier les entreprises européennes), les fabricants chinois ont commencé à mettre en place des solutions de conditionnement en sachets. Farasis, Jebsen Power et Vision AESC ont tous des projets actifs d'expansion de la production de batteries à poche. CATYL, qui se concentre sur les solutions de batteries prismatiques au lithium, a également commencé à développer sa production de sachets.

6. pile au lithium cylindrique, à poche, prismatique, quelle est la meilleure ?

● "Désolé, je veux la standardisation, l'universalisation, je peux combiner dur et poche."- -la batterie cylindrique dit...

● "Pour accéder au marché, il faut tôt ou tard faire face à divers scénarios, je suis en plastique" - la pile au lithium prismatique dit

● "La technologie est toujours reine, vous ne pouvez pas changer la durée de vie de la batterie et les problèmes de sécurité" - pouch battery says

Du point de vue de la structure, la pile au lithium prismatique occupe un avantage absolu en Chine, la part de marché des piles cylindriques et à poche est faible, et la proportion est restée à 10%. La batterie prismatique au lithium est également stable en groupe et possède une densité énergétique élevée. Elle est largement utilisée dans les véhicules électriques, le stockage de l'énergie (stockage de l'énergie dans le réseau électrique et stockage de l'énergie dans les stations de base) et d'autres domaines.

La batterie cylindrique a un taux et un rendement élevés. Elle est souvent utilisée dans l'alimentation électrique mobile, les trésors de charge, les outils électriques, les véhicules mobiles, les véhicules légers, le stockage d'énergie portable et d'autres domaines. La batterie à poche a une grande flexibilité et une haute densité énergétique, qui peut être appliquée au stockage d'énergie domestique, au téléphone portable, au véhicule électrique à deux roues, à l'ordinateur portable, etc.

Pour un même niveau de matériaux de base, il n'existe pas de capacité de fabrication (capacité d'ingénierie) et de niveau technologique (y compris la capacité d'intégration) uniques, il suffit de répondre à la demande et de continuer à progresser. Les batteries au lithium à cylindre, à poche et prismatiques ont chacune leurs propres avantages, mais les constructeurs automobiles ne peuvent pas se contenter d'une seule voie technique. Ce qui déterminera vraiment l'avenir de la technologie des batteries, c'est le compromis entre le besoin de technologie et la maîtrise du produit, et cela prendra beaucoup de temps.

En fait, sur le marché actuel, les fabricants utilisent trois types de piles au lithium : les piles cylindriques, les piles en sachet et les piles prismatiques, chacune occupant une place particulière.

La batterie cylindrique est développée depuis longtemps, ce qui lui confère un grand avantage en termes de cohérence (moins de matière active, processus mature), et son processus de fabrication est plus mature, à faible coût après la mise à l'échelle. Cependant, les piles cylindriques offrent d'autres possibilités en termes d'agencement de la batterie et de densité énergétique. En ce qui concerne les batteries prismatiques au lithium ou les batteries à poche, bien qu'elles puissent difficilement égaler les batteries cylindriques en termes de normalisation et de polyvalence, leurs avantages en termes de personnalisation les rendent plus compatibles avec les véhicules électriques. En particulier, avec de plus en plus de modèles de plates-formes de niveau pur, la technologie des châssis est de plus en plus mature, et ils peuvent répondre aux besoins de différents fabricants et de différentes personnalisations de voitures.

En particulier, les piles au lithium prismatiques et les piles à poche présentent les avantages en termes de performances et de coûts des processus de laminage actuels et des cellules de grande capacité. C'est pourquoi, en partant d'une seule technologie, par exemple, CATL a commencé par la voie des piles au lithium prismatiques, pour finalement diversifier l'agencement des piles au lithium cylindriques et à poche. L'industrie des piles évoluera en fonction des besoins et deviendra même une ressource stratégique importante, du berceau à la livraison. La chaîne de valeur des piles fait preuve de beaucoup d'imagination, ce qui est également relatif.